Pour rendre l'iconique, double hélice torsadée qui rend compte de la diversité de la vie, Les règles de l'ADN précisent que G s'apparie toujours avec C, et A avec T.

Mais, quand tout est additionné, la quantité de contenu G+C vs A+T parmi les espèces n'est pas un simple pourcentage fixe ou, ratio standard de un pour un.

Par exemple, au sein des organismes unicellulaires, la quantité de G+C contenu peut varier de 72 pour cent dans une bactérie comme Streptomyces coelicolor tandis que le parasite protozoaire qui cause le paludisme, Plasmondium falciparum, a aussi peu que 20 pour cent.

Chez les eucaryotes unicellulaires, la levure contient 38 % de teneur en G+C, les plantes comme le maïs en ont 47 pour cent, et les humains en contiennent environ 41 pour cent.

La grande question est, Pourquoi?

"C'est l'un des problèmes de longue date de l'évolution du génome, et les tentatives antérieures pour l'expliquer ont impliqué des mouvements de bras considérables, " a déclaré Michael Lynch, qui dirige un nouveau Centre pour les mécanismes d'évolution au Biodesign Institute de l'Arizona State University.

Y a-t-il quelque chose dans la nature chimique de l'ADN lui-même qui favorise un nucléotide par rapport à l'autre, ou le biais de la pression de mutation varie-t-il, et si oui, pourquoi cela serait-il différent entre les espèces?

"En l'absence d'observations clés sur le processus de mutation, il y a eu une lutte pour comprendre quel est le mécanisme, " dit Lynch.

Le groupe de Michael Lynch a maintenant démontré expérimentalement que la composition G+C est généralement fortement favorisée, alors que cela est souvent opposé par une pression mutationnelle de diverses forces dans la direction opposée.

"En moyenne, la sélection naturelle ou un autre facteur (éventuellement associé à des forces de recombinaison) favorise le contenu G+C, quelle que soit la classe d'ADN, taille du génome d'une espèce, ou lorsque l'espèce se trouve sur l'arbre de vie évolutif, " dit Lynch.

L'étude a été publiée dans la revue Écologie et évolution de la nature .

L'erreur est universelle

Les mutations de l'ADN sont les moteurs de l'évolution, erreurs dans le génome qui sont introduites et transmises à la génération suivante, pour qu'avec le temps, fournissant le carburant pour l'invention de nouvelles adaptations ou traits.

Pour entrer dans le vif du sujet, les scientifiques voulaient un moyen de quantifier le spectre complet des mutations de l'ADN en laboratoire sur un large éventail d'espèces.

Cela peut maintenant être fait en partie grâce aux nouvelles technologies pour rendre le séquençage de l'ADN plus rapide et moins cher. Il a alimenté un âge d'or de la biologie expérimentale évolutive.

"Nous avons commencé avec la connaissance du spectre mutationnel qui se produit au niveau du génome chez environ 40 espèces examinées dans mon laboratoire, " a déclaré Lynch. " Vous pouvez utiliser ces informations pour calculer ce que serait la composition du GC en l'absence de sélection. Et puis nous pouvons comparer cette attente nulle avec le contenu réel du génome, la différence étant due à la sélection."

Dans une expérience de tour de force qui est la plus grande enquête à ce jour, ils ont examiné chaque mutation de l'ADN chez différentes espèces, séquencer des milliards de bases chimiques d'ADN.

« Cela représentait une charge de travail très importante, l'effort et le coût qui ont été nécessaires pour tester différents modèles évolutifs à haute puissance statistique, " dit Hongan Long, un chercheur postdoctoral qui a dirigé les expériences.

Ils ont également profité d'une analyse de 25 ensembles de données actuels de mutations et de 12 nouvelles expériences d'accumulation de mutations (AM) (dont beaucoup de leur propre laboratoire), y compris les bactéries et une ménagerie d'organismes multicellulaires, y compris la levure, vers, les mouches des fruits, les chimpanzés et les humains.

Au cours de chaque expérience de MA, ils ont effectué le séquençage complet du génome d'environ 50 lignées bactériennes différentes qui avaient été passées à travers de sévères, goulots d'étranglement monocellulaires pour des milliers de divisions cellulaires.

"Ce passage unicellulaire de chaque ligne agit comme un filtre, éliminer la capacité de la sélection naturelle à modifier l'accumulation de toutes les mutations sauf les plus graves et délétères, nous donnant une vision réellement impartiale du processus de mutation, " dit Long.

A chaque génération, ils ont soigneusement mesuré le taux de mutation, ou à chaque fois qu'une seule lettre d'ADN est modifiée.

Cela peut se produire de deux manières :une seule paire de bases d'ADN G ou C étant convertie dans la direction A+T; ou l'inverse peut arriver, avec une base A ou T commutant dans le sens G+C.

Après tout le calcul des chiffres et des données, un schéma frappant a émergé entre le contenu en G+C et les attentes basées sur les mutations de l'ADN.

"Il s'avère, ils sont corrélés, " a déclaré Lynch.. " La composition G+C est toujours plus élevée que prévu, basé sur la neutralité. Cela nous dit qu'il y a une sélection omniprésente. Donc, la mutation dirige le modèle global, mais la sélection des G et des C plutôt que des A et des T augmente le contenu du génome au-dessus de l'attente mutationnelle neutre.

Cela semble être presque universellement vrai."

La fin du début

Maintenant qu'ils ont montré la corrélation de la composition G+C, il a ouvert la porte à bien d'autres questions, et des réponses qui restent insaisissables.

"Une question est, « Pourquoi le spectre de mutations change-t-il si radicalement d'une espèce à l'autre ? » a demandé Lynch. « Les espèces n'ont pas le même spectre de mutations. Il existe des espèces dont les profils de mutation sont plus riches en AT et d'autres plus riches en GC. Nous ne connaissons toujours pas les mécanismes derrière une telle divergence dans le spectre mutationnel."

Ils peuvent être dus à de simples différences de chimie et de biophysique.

Une force générale qui peut être pertinente est la stabilité de l'ADN, entraîné par la chimie des lettres de l'ADN. Les forces qui maintiennent l'échelle de l'ADN intacte sont appelées liaisons hydrogène. Les paires G:C impliquent trois liaisons hydrogène, tandis que, A :Les paires T n'en impliquent que deux.

"L'idée dominante est qu'une plus grande quantité de G:C ajoute à la stabilité du génome, " dit Lynch.

Une autre possibilité est pendant la reproduction, lorsque les brins d'ADN s'entrelacent de chaque parent pour former un œuf fécondé, des mésappariements peuvent se produire dans l'appariement des bases, conduisant à des erreurs que les enzymes de relecture de l'ADN doivent corriger plus tard. Parfois, un G peut être changé en A, ou un T devient un C, convertir les gènes au cours de ce processus de réparation des mésappariements.

« Cela est généralement considéré comme biaisé en faveur des G et C, " dit Lynch.

Maintenant, avec leur dispositif expérimental en place, L'équipe de Lynch est prête à explorer davantage les mécanismes de l'évolution et les forces fondamentales derrière ce grand mystère.