Il peut avancer à plus de 50 milles à l’heure, sautant environ 30 pieds en un seul bond. Mais cet athlétisme médaillé de platine tombe au bord du chemin au bord d’une rivière subsaharienne, source de vie et de mort pour l’impala capricieux qui s’immobilise pour boire un verre par une chaleur de 100 degrés.
Un crocodile du Nil s’est silencieusement baptisé dans cette même rivière boueuse depuis une heure. Lorsque le prédateur au sommet invisible sort de l’eau pour saisir l’impala, ses dents infâmes s’accrochent à un arrière-train, les mâchoires se serrant avec 5 000 livres de force. Pourtant, c’est l’eau elle-même qui tue, le reptile à la respiration profonde traînant sa proie jusqu’au fond pour se noyer.
Le succès de l’embuscade du crocodile réside dans les réservoirs de plongée nanoscopiques – les hémoglobines – qui parcourent sa circulation sanguine, déchargeant l’oxygène des poumons vers les tissus à un rythme lent mais régulier qui lui permet de passer des heures sans air. L’hyper-efficacité de cette hémoglobine spécialisée a conduit certains biologistes à se demander pourquoi, de tous les vertébrés à mâchoires du monde, les crocodiliens étaient le seul groupe à avoir trouvé une solution aussi optimale pour tirer le meilleur parti d’une respiration.
En reconstruisant statistiquement et en ressuscitant expérimentalement l’hémoglobine d’un archosaure, l’ancêtre vieux de 240 millions d’années de tous les crocodiliens et oiseaux, Jay Storz et ses collègues de l’Université du Nebraska-Lincoln ont glané de nouvelles informations sur ce pourquoi. Plutôt que de ne nécessiter que quelques mutations clés, comme le suggéraient des recherches antérieures, les propriétés uniques de l’hémoglobine crocodilienne découlaient de 21 mutations interconnectées qui jonchent le composant complexe des globules rouges.
Cette complexité et les multiples effets d’entraînement que toute mutation peut induire dans l’hémoglobine ont peut-être forgé une voie évolutive si labyrinthique que la nature n’a pas réussi à la retracer même sur des dizaines de millions d’années, ont déclaré les chercheurs.
« Si c’était une astuce aussi simple – si c’était si facile à faire, juste quelques changements – tout le monde le ferait », a déclaré Storz, auteur principal de l’étude et professeur Willa Cather de sciences biologiques au Nebraska.
Toute l’hémoglobine se lie à l’oxygène dans les poumons avant de nager dans la circulation sanguine et finalement de libérer cet oxygène dans les tissus qui en dépendent. Chez la plupart des vertébrés, l’affinité de l’hémoglobine pour capturer et retenir l’oxygène est largement dictée par des molécules appelées phosphates organiques, qui, en se liant à l’hémoglobine, peuvent l’inciter à libérer sa précieuse cargaison.
Mais chez les crocodiliens – crocodiles, alligators et leurs proches – le rôle des phosphates organiques a été supplanté par une molécule, le bicarbonate, qui est produit à partir de la dégradation du dioxyde de carbone. Parce que les tissus qui travaillent dur produisent beaucoup de dioxyde de carbone, ils génèrent également indirectement beaucoup de bicarbonate, ce qui encourage l’hémoglobine à distribuer son oxygène aux tissus qui en ont le plus besoin.
« C’est un système super efficace qui fournit une sorte de mécanisme de libération lente qui permet aux crocodiliens d’exploiter efficacement leurs réserves d’oxygène à bord », a déclaré Storz. « C’est en partie la raison pour laquelle ils sont capables de rester sous l’eau aussi longtemps. »
En tant que chercheurs postdoctoraux dans le laboratoire de Storz, Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore et Naim Bautista avaient déjà aidé à déchiffrer le fonctionnement de l’hémoglobine crocodilienne. Aux côtés de collègues du Danemark, du Canada, des États-Unis et du Japon, l’équipe de Storz a décidé de se lancer dans une étude multidisciplinaire sur la naissance de la merveille du transport d’oxygène.
Les efforts antérieurs pour comprendre son évolution impliquaient d’incorporer des mutations connues dans l’hémoglobine humaine et de rechercher des changements fonctionnels, qui étaient généralement rares. Les découvertes récentes de son propre laboratoire avaient convaincu Storz que l’approche était défectueuse. Il y avait beaucoup de différences, après tout, entre l’hémoglobine humaine et celle des anciennes créatures reptiliennes à partir desquelles les crocodiliens modernes ont évolué.
« Ce qui est important, c’est de comprendre les effets des mutations sur le contexte génétique dans lequel elles ont réellement évolué, ce qui signifie faire des comparaisons verticales entre les protéines ancestrales et descendantes, plutôt que des comparaisons horizontales entre les protéines des espèces contemporaines », a déclaré Storz. « En utilisant cette approche, vous pouvez comprendre ce qui s’est réellement passé. »
Ainsi, à l’aide de principes biochimiques et de statistiques, l’équipe a entrepris de reconstruire les plans d’hémoglobine à partir de trois sources : l’ancêtre archosaure vieux de 240 millions d’années ; le dernier ancêtre commun de tous les oiseaux; et l’ancêtre commun vieux de 80 millions d’années des crocodiliens contemporains. Après avoir mis les trois hémoglobines ressuscitées à l’épreuve en laboratoire, l’équipe a confirmé que seule l’hémoglobine de l’ancêtre crocodilien direct manquait de liaison au phosphate et était sensible au bicarbonate.
La comparaison des plans d’hémoglobine des ancêtres des archosaures et des crocodiliens a également permis d’identifier des changements dans les acides aminés – essentiellement les articulations du squelette de l’hémoglobine – qui auraient pu s’avérer importants. Pour tester ces mutations, Storz et ses collègues ont commencé à introduire certaines mutations spécifiques au crocodile dans l’hémoglobine ancestrale de l’archosaure. En identifiant les mutations qui ont fait que l’hémoglobine de l’archosaure se comporte davantage comme celle d’un crocodilien moderne, l’équipe a reconstitué les changements responsables de ces propriétés uniques et spécifiques au croco.
Contrairement à la sagesse conventionnelle, Storz et ses collègues ont découvert que les changements évolués dans la réactivité de l’hémoglobine au bicarbonate et aux phosphates étaient entraînés par différents ensembles de mutations, de sorte que le gain d’un mécanisme ne dépendait pas de la perte de l’autre. Leur comparaison a également révélé que, bien que quelques mutations aient suffi à soustraire les sites de liaison au phosphate, plusieurs autres étaient nécessaires pour éliminer complètement la sensibilité au phosphate. De la même manière, deux mutations semblaient entraîner directement l’émergence de la sensibilité au bicarbonate, mais uniquement lorsqu’elles étaient combinées ou précédées d’autres mutations faciles à manquer dans des régions éloignées de l’hémoglobine.
Storz a déclaré que les résultats témoignent du fait qu’une combinaison de mutations pourrait entraîner des changements fonctionnels qui transcendent la somme de leurs effets individuels. Une mutation qui ne produit aucun effet fonctionnel par elle-même pourrait, de bien des façons, ouvrir la voie à d’autres mutations aux conséquences claires et directes. Dans la même veine, a-t-il dit, ces mutations ultérieures pourraient avoir peu d’influence sans les prédécesseurs de mise en scène appropriés déjà en place. Et tous ces facteurs peuvent être suralimentés ou étouffés par l’environnement dans lequel ils se déroulent.
« Lorsque vous avez ces interactions complexes, cela suggère que certaines solutions évolutives ne sont accessibles qu’à partir de certains points de départ ancestraux », a déclaré Storz. « Avec l’hémoglobine ancestrale de l’archosaure, vous avez un bagage génétique qui permet de faire évoluer les propriétés uniques que nous voyons dans les hémoglobines des crocodiliens modernes. En revanche, avec l’ancêtre des mammifères comme point de départ, il se peut qu’il y ait D’une manière ou d’une autre, vous pourriez faire évoluer la même propriété, mais cela devrait passer par un mécanisme moléculaire complètement différent, car vous travaillez dans un contexte structurel complètement différent. »
Pour le meilleur ou pour le pire, a déclaré Storz, l’étude aide également à expliquer la difficulté de concevoir une hémoglobine humaine qui peut imiter et approcher les performances du crocodilien.
« Nous ne pouvons pas simplement dire, ‘OK, c’est principalement dû à ces cinq mutations. Si nous prenons de l’hémoglobine humaine et introduisons simplement ces mutations, voilà, nous en aurons une avec exactement les mêmes propriétés, et nous pourrons rester sous l’eau pendant deux heures aussi », a déclaré Storz. « Il s’avère que ce n’est pas le cas.
« Il y a beaucoup de problèmes impossibles à résoudre à partir d’ici dans l’arbre de la vie. »
Plus d’information:
Chandrasekhar Natarajan et al, Evolution et base moléculaire d’une nouvelle propriété allostérique de l’hémoglobine crocodilienne, Biologie actuelle (2022). DOI : 10.1016/j.cub.2022.11.049