Des chercheurs de l'Université du Colorado Anschutz Medical Campus et de l'University College London ont développé une nouvelle théorie de l'évolution moléculaire, offrant un aperçu du fonctionnement des gènes, comment les taux de divergence évolutive peuvent être prédits, et comment les mutations nuisibles surviennent à un niveau basique.

"Les molécules sont à la base de toute vie et nous voulions savoir pourquoi les molécules évoluent comme elles le font, " a déclaré le co-auteur de l'étude David Pollock, Doctorat, professeur de biochimie et de génétique moléculaire à la CU School of Medicine.

Pollock et son collègue auteur Richard Goldstein, Doctorat., professeur d'infection et d'immunité à l'University College London, a publié l'étude le 23 octobre 2017 dans la revue Écologie et évolution de la nature .

Leur théorie de la mécanique évolutive transforme les systèmes moléculaires en évolution en un cadre où les outils de la mécanique statistique peuvent être appliqués, ouvrant une nouvelle fenêtre sur le fonctionnement de l'évolution des protéines.

« L'approche repose sur la compréhension des protéines en tant que systèmes intégrés, " a déclaré Goldstein. " Trop souvent, nous ignorons les interactions entre les différentes parties d'une protéine, mais nous savons que les changements dans une partie de la protéine affectent les changements ultérieurs dans les autres parties. Il s'avère que c'est vraiment important pour comprendre pourquoi ces molécules évoluent comme elles le font. »

Les protéines changent constamment à mesure que les mutations se fixent ou s'éliminent en fonction de la structure de la protéine, fonction et stabilité. Cela dépend des interactions d'acides aminés dans toute la protéine qui provoquent l'évolution sur un site pour modifier les chances d'évolution sur d'autres sites.

Les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient prédire les taux d'évolution des protéines en fonction de leurs propriétés biochimiques.

"C'était une vraie surprise, " a déclaré Pollock. "Notre théorie tient compte des effets génétiques des populations bien connus tels que la force de sélection et la taille effective de la population, mais ils sont exclus des équations finales qui prédisent le taux d'évolution moléculaire."

Pendant des années, les chercheurs se sont heurtés à des problèmes avec les modèles standard d'évolution moléculaire utilisés pour étudier les relations évolutives entre les espèces. Cela a conduit à des difficultés dans la reconstruction d'événements évolutifs importants dans les organismes ancestraux.

Ces modèles de convergence moléculaire se sont avérés changer régulièrement au cours du temps évolutif d'une manière qui indiquait des contraintes continuellement fluctuantes dans différentes parties des protéines.

"Cela renverse l'idée habituelle que les acides aminés s'adapteront aux besoins du reste de la protéine, " a déclaré Goldstein. "Mais nous ne pouvions pas expliquer exactement pourquoi cela s'est produit, ou s'il y avait une quelconque régularité dans le processus."

Mais une fois le système placé dans un cadre de mécanique statistique, l'ampleur de l'enracinement des acides aminés a été considérée comme essentielle pour comprendre les taux de divergence évolutive.

Les chercheurs ont déclaré que la force de sélection dans l'évolution des protéines est équilibrée par l'entropie de séquence du repliement, le nombre de séquences qui confèrent à une protéine un degré de stabilité donné.

"Nous aimons penser aux autres acides aminés comme à un groupe d'enfants sautant sur un matelas en mousse à mémoire pendant que vous essayez de marcher dessus, " dit Pollock. " La plupart du temps, vos pieds sont enfoncés dans le matelas et vous ne pouvez pas avancer, mais de temps en temps, les enfants créent une entaille dans le matelas qui vous permet d'aller de l'avant."