Cette image est une représentation simplifiée du paysage classique du fitness. Si une mutation se produit, l'organisme tombera normalement du sommet du pic dans le fossé, perdant sa forme physique et ne survivra probablement pas ou ne se reproduira pas. Crédit :OIST
Ce qui distingue fondamentalement un être humain de toute autre créature vivante se résume aux différences dans les séquences d'ADN - un ensemble de molécules génétiquement héritées trouvées dans chaque cellule de chaque organisme. Ces différences se sont accumulées pendant des millions d'années, principalement via des mutations aléatoires - essentiellement des erreurs dans la façon dont l'ADN a été copié. La plupart de ces mutations ont un impact négatif sur l'organisme et entraîneront probablement sa mort avant qu'il n'ait eu la chance de se reproduire. Cependant, certains auront un impact positif ou neutre sur l'organisme et se propageront dans la population. Ces erreurs dans les séquences d'ADN ont entraîné la diversité de la vie que nous voyons dans le monde aujourd'hui. Mais de nombreux aspects de la façon dont ces mutations peuvent augmenter la condition physique restent mal compris.
"Nous avons réussi à montrer expérimentalement, pour la première fois, un concept sur la mutation et l'évolution qui n'était auparavant que théoriquement fondé", a déclaré le professeur Yohei Yokobayashi, qui dirige l'unité de chimie et d'ingénierie des acides nucléiques à l'Institut des sciences d'Okinawa. et l'Université des hautes études technologiques (OIST). "C'est ce qu'on appelle un réseau neutre et on pense qu'il est vital pour accroître la diversité d'une population." Cette recherche a été publiée dans Nature Communications .
Les gènes, constitués de paires de bases d'ADN, contiennent les instructions nécessaires pour créer des protéines et conduisent au soin et à l'entretien appropriés d'une cellule. Pour que les instructions soient exécutées, l'ADN doit d'abord être transcrit en ARN. Ainsi, l'ARN est comme un reflet de l'ADN.
Il existe quatre paires de bases standard pour l'ARN et l'ADN. Pour l'ARN, il s'agit de A, G, C et U. Le professeur Yokobayashi a expliqué le concept de réseau neutre en donnant un exemple de séquence simplifiée de bases d'ARN.
"Disons que la séquence d'ARN AAAAAAA mute en AAAUAAA, qui mute ensuite en GAAUAAA. La première variante est connectée à la seconde, qui est connectée à la troisième par une seule mutation. Si ces mutations conservent la même forme physique, l'organisme pourrait survivre, et la mutation pourrait être héritée par les générations futures. Cela augmente la diversité globale, et la diversité est essentielle pour qu'une espèce s'adapte aux changements de l'environnement."
Cette image est une représentation simplifiée d'un paysage de remise en forme lorsqu'il existe un réseau neutre. Lorsqu'il y a mutation, la forme physique est maintenue. Crédit :OIST
Un réseau neutre est une série entière de séquences de bases comme celle-ci (quoique beaucoup plus longue), où chaque nouvelle séquence, différant d'une seule base, a à peu près la même fitness que celle qui la précède et celle qui la suit. Les scientifiques soupçonnent leur existence depuis un certain temps, mais ils sont très difficiles à prouver expérimentalement. À l'origine, il était supposé que tous les espaces de séquence d'ARN devraient avoir la possibilité d'héberger un grand réseau neutre, mais personne n'a jamais trouvé ces réseaux neutres à grande échelle dans la pratique.
Dans cette étude, les chercheurs ont examiné un type d'ARN appelé ribozyme ligase, qui avait déjà été synthétisé mais n'était pas connu pour constituer un réseau neutre. Ils ont choisi ce ribozyme car sa fonction est de connecter ou de ligaturer deux morceaux d'ARN ensemble. Ce rôle a des implications importantes pour l'origine de la vie car il est vital pour l'auto-réplication.
Le ribozyme entier compte environ 80 paires de bases, mais les chercheurs se sont concentrés sur une zone de 35 paires de bases qui est importante pour la fonction du ribozyme et donc pour mesurer sa forme physique globale.
Grâce à la conception de séquences informatiques assistée par un algorithme évolutif et un apprentissage en profondeur, les scientifiques ont conçu de nombreux mutants de ce ribozyme et déterminé expérimentalement leur aptitude. Ils ont fini par tester plus de 120 000 variantes et ont pu augmenter la proportion de variantes neutres dans la population conçue d'environ 10 % à près de 90 %.
Ils ont ensuite choisi l'une des variantes qu'ils avaient identifiées. Celui-ci différait du ribozyme d'origine par 16 mutations. Ils ont examiné tous les différents chemins qui auraient pu être empruntés pour passer du ribozyme d'origine au nouveau variant, une mutation à la fois pendant 16 étapes, et ont trouvé 65 536 variants différents dont 60 % étaient fonctionnels.
Les mutations doivent maintenir un niveau de forme physique similaire à celui qui les précède et qui les suit si la diversité doit augmenter. Si la mutation a un impact négatif sur la variante, la voie pour atteindre d'autres variantes ne sera pas accessible. L'image ci-dessus montre une courte séquence et les mutations qui en découlent. Comme on peut le voir, soit les mutations maintiennent le même niveau de forme physique que la précédente et continuent à former de nouveaux mutants, soit elles ont un niveau de forme physique inférieur et disparaissent. Veuillez noter que la séquence n'est qu'un exemple et n'est pas spécifiquement liée à cette recherche. Crédit :OIST
Les chercheurs ont ensuite examiné les voies qui ne contenaient que des mutations fonctionnelles et ont découvert que 10 % des voies étaient accessibles.
"C'est assez élevé", a déclaré Ph.D. candidat et premier auteur, Rachapun Rotrattanadumrong. "D'autres travaux expérimentaux n'ont jamais trouvé un si grand nombre de voies accessibles entre deux variantes."
Les chercheurs ont souligné que cette preuve expérimentale d'un réseau neutre a montré qu'il est possible que des réseaux neutres se forment dans un espace de séquence d'ARN, mais pas aussi largement que le travail théorique le ferait croire. Une autre question intéressante peut consister à examiner quelles propriétés sont nécessaires pour que ce type de réseau se forme.
"Ce travail permettra aux gens de tester expérimentalement de nombreuses hypothèses", a poursuivi Rotrattanadumrong. "Nous avons fourni le premier ensemble de données expérimentales d'un réseau neutre. Il permettra aux chercheurs de répondre aux questions sur la façon dont l'ARN a évolué et continue d'évoluer." Sondage de la fonction ARN avec 10 000 mutants
