Tous les êtres vivants utilisent le code génétique pour "traduire" l'information génétique basée sur l'ADN en protéines, qui sont les principales molécules actives dans les cellules. La manière précise dont le processus complexe de traduction est apparu dans les premiers stades de la vie sur Terre il y a plus de quatre milliards d'années a longtemps été mystérieuse, mais deux biologistes théoriciens ont maintenant fait un progrès significatif dans la résolution de ce mystère.

Charles Carter, Doctorat., professeur de biochimie et de biophysique à l'UNC School of Medicine, et Peter Wills, Doctorat., professeur agrégé de biochimie à l'Université d'Auckland, ont utilisé des méthodes statistiques avancées pour analyser comment les molécules translationnelles modernes s'assemblent pour effectuer leur travail, en reliant de courtes séquences d'informations génétiques aux blocs de construction protéiques qu'elles codent.

L'analyse des scientifiques, Publié dans Recherche sur les acides nucléiques , révèle des règles auparavant cachées par lesquelles les molécules traductionnelles clés interagissent aujourd'hui. La recherche suggère comment les ancêtres beaucoup plus simples de ces molécules ont commencé à travailler ensemble à l'aube de la vie.

"Je pense que nous avons clarifié les règles sous-jacentes et l'histoire évolutive du codage génétique, " Carter a dit. "Cela n'avait pas été résolu depuis 60 ans."

Testaments ajoutés, "Les paires de modèles moléculaires que nous avons identifiées sont peut-être les premières que la nature ait jamais utilisées pour transférer des informations d'une forme à une autre dans les organismes vivants."

Les découvertes se concentrent sur une molécule en forme de trèfle appelée ARN de transfert (ARNt), un acteur clé de la traduction. Un ARNt est conçu pour transporter un simple bloc de construction protéique, connu comme un acide aminé, sur la chaîne de montage de la production de protéines dans de minuscules usines moléculaires appelées ribosomes. Lorsqu'une copie ou "transcription" d'un gène appelé ARN messager (ARNm) émerge du noyau cellulaire et pénètre dans un ribosome, il est lié aux ARNt portant leurs cargaisons d'acides aminés.

L'ARNm est essentiellement une chaîne de "lettres" génétiques énonçant des instructions de fabrication de protéines, et chaque ARNt reconnaît une séquence spécifique de trois lettres sur l'ARNm. Cette séquence est appelée un "codon". Comme l'ARNt se lie au codon, le ribosome lie son acide aminé à l'acide aminé qui l'a précédé, allonger le peptide en croissance. Quand fini, la chaîne d'acides aminés est libérée sous forme de protéine nouvellement née.

Les protéines chez l'homme et la plupart des autres formes de vie sont constituées de 20 acides aminés différents. Ainsi, il existe 20 types distincts de molécules d'ARNt, chacun capable de se lier à un acide aminé particulier. En partenariat avec ces 20 ARNt, 20 enzymes auxiliaires correspondantes appelées synthétases (aminoacyl-ARNt synthétases), dont le travail consiste à charger leurs ARNt partenaires avec le bon acide aminé.

« Vous pouvez considérer ces 20 synthétases et 20 ARNt collectivement comme un ordinateur moléculaire que l'évolution a conçu pour permettre la traduction du gène en protéine, " dit Carter.

Les biologistes sont depuis longtemps intrigués par cet ordinateur moléculaire et l'énigme de son origine il y a des milliards d'années. Dans les années récentes, Carter et Wills ont fait de ce puzzle leur principal objectif de recherche. Ils ont montré, par exemple, comment les 20 synthétases, qui existent en deux classes structurellement distinctes de 10 synthétases, est probablement née de deux plus simples, enzymes ancestrales.

Une division de classe similaire existe pour les acides aminés, et Carter et Wills ont soutenu que la même division de classe doit s'appliquer aux ARNt. En d'autres termes, ils proposent qu'à l'aube de la vie sur Terre, les organismes ne contenaient que deux types d'ARNt, qui aurait fonctionné avec deux types de synthétases pour effectuer la traduction du gène en protéine en utilisant seulement deux types différents d'acides aminés.

L'idée est qu'au cours des éons, ce système est devenu de plus en plus spécifique, comme chacun des ARNt originaux, synthétases, et les acides aminés ont été augmentés ou affinés par de nouvelles variantes jusqu'à ce qu'il y ait des classes distinctes de 10 à la place de chacun des deux ARNt originaux, synthétases, et les acides aminés.

Dans leur étude la plus récente, Carter et Wills ont examiné les ARNt modernes à la recherche de preuves de cette ancienne dualité. Pour ce faire, ils ont analysé la partie supérieure de la molécule d'ARNt, connu sous le nom de tige acceptrice, où les synthétases partenaires se lient. Leur analyse a montré que seulement trois bases d'ARN, ou des lettres, en haut de la tige acceptrice portent un code autrement caché spécifiant les règles qui divisent les ARNt en deux classes, correspondant exactement aux deux classes de synthétases. , " dit Carter.

L'étude a trouvé par hasard des preuves d'une autre proposition sur les ARNt. Chaque ARNt moderne a à son extrémité inférieure un "anticodon" qu'il utilise pour reconnaître et coller à un codon complémentaire sur un ARNm. L'anticodon est relativement éloigné du site de liaison de la synthétase, mais les scientifiques depuis le début des années 1990 ont émis l'hypothèse que les ARNt étaient autrefois beaucoup plus petits, combinant les régions de liaison à l'anticodon et à la synthétase en une seule. L'analyse de Wills et Carter montre que les règles associées à l'une des trois bases de détermination de classe - la base numéro 2 dans l'ensemble de la molécule d'ARNt - impliquent effectivement une trace de l'anticodon dans un ancien, version tronquée de l'ARNt.

"C'est une confirmation complètement inattendue d'une hypothèse qui existe depuis près de 30 ans, " dit Carter.

Ces résultats renforcent l'argument selon lequel le système de traduction original n'avait que deux ARNt primitifs, correspondant à deux synthétases et deux types d'acides aminés. Au fur et à mesure que ce système a évolué pour reconnaître et incorporer de nouveaux acides aminés, de nouvelles combinaisons de bases d'ARNt dans la région de liaison de la synthétase auraient émergé pour suivre la complexité croissante, mais d'une manière qui laissait des traces détectables de l'arrangement d'origine.

"Ces trois bases de définition de classe dans les ARNt contemporains sont comme un manuscrit médiéval dont les textes originaux ont été effacés et remplacés par des textes plus récents, " dit Carter.

Les résultats réduisent les possibilités d'origine du codage génétique. De plus, ils rétrécissent le domaine des futures expériences que les scientifiques pourraient mener pour reconstruire les premières versions du système translationnel en laboratoire - et peut-être même faire évoluer ce système simple vers plus complexe, formes modernes du même système de traduction. Cela montrerait en outre comment la vie a évolué de la plus simple des molécules vers des cellules et des organismes complexes.