Nos gènes (alias le génotype) déterminent nos caractéristiques (alias le phénotype). L'évolution agit sur les changements de phénotype, qui se produisent lorsque des mutations modifient le génotype sous-jacent. Mais les changements de phénotype qui peuvent être produits par des mutations ne sont pas sans limites :les fourmis ne peuvent pas soudainement pousser des trompes ou devenir de la taille d'un éléphant. Des chercheurs de l'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) ont découvert que dans un système de régulation génétique de la bactérie Escherichia coli, plus il y a de composants mutés, plus le système peut évoluer librement. C'est le résultat d'une étude publiée par une équipe dirigée par Calin Guet, Jonathan Bollback, et premier auteur Mato Lagator dans eLife .

Les effets des mutations définissent comment un système peut changer. Mais dans un système de plusieurs composants qui régule l'expression des gènes, que se passe-t-il lorsque plusieurs composants sont mutés ? Le système a-t-il moins d'options de changement, ou plus? Les chercheurs ont étudié cette question dans un petit système de régulation génique chez E. coli qui se compose de deux composants :d'abord, un facteur de transcription, qui est une protéine qui contrôle le taux de transcription de l'information génétique de l'ADN à l'ARN. Seconde, son site de liaison sur l'ADN, où le facteur de transcription se lie pour démarrer la transcription. Dans cette étude, les scientifiques ont regardé ce qui se passe lorsqu'ils font muter chaque composant seul, et quand ils mutent les deux composants en même temps.

Un peu contre-intuitivement, ils ont constaté que l'évolution du système est moins limitée lorsque plus de composants sont mutés. "Contrairement à ce que j'avais supposé avant de mener les expériences, si on mute plusieurs composants, le système peut évoluer plus librement. Cela m'a vraiment surpris !", a déclaré le premier auteur Mato Lagator. L'équipe a ensuite examiné pourquoi le système peut évoluer dans plus de directions par rapport à ses composants individuels.

Ils ont constaté que le système évolue plus librement parce que les mutations des deux composants interagissent les unes avec les autres, un phénomène qu'ils appellent « l'épistasie intermoléculaire ». Mato Lagator explique sa signification :« L'épistasie signifie qu'un plus un n'équivaut pas à deux, mais trois ou zéro. Génétiquement parlant, une mutation ponctuelle modifie le facteur de transcription de sorte que le phénotype de notre système de régulation génique change de X, et l'autre mutation ponctuelle modifie le site de liaison de sorte que le phénotype change par Y. Maintenant, lorsque les deux mutations se produisent ensemble, le phénotype n'est pas simplement X+Y, c'est différent." Cela signifie que les mutations interagissent, donnant à l'ensemble du système plus de liberté pour changer et évoluer.

Jusque là, notre compréhension de l'épistasie a été principalement descriptive, mais comment les mécanismes moléculaires existants définissent les modèles d'épistasie n'a pas été compris. Dans cette étude, les chercheurs donnent une compréhension mécaniste de la façon dont les mutations dans deux molécules différentes interagissent, explique Mato Lagator. "Le plus excitant, nous montrons que, dans ce système de régulation des gènes, la majeure partie de l'épistasie provient de la structure génétique du système. Cette structure détermine comment les mutations interagissent les unes avec les autres."