La nature regorge de parasites, d'organismes qui prospèrent et prolifèrent aux dépens d'une autre espèce. Étonnamment, ces mêmes rôles concurrents de parasite et d'hôte peuvent être trouvés dans le monde moléculaire microscopique de la cellule. Une nouvelle étude menée par deux chercheurs de l'Illinois a démontré que les éléments dynamiques du génome humain interagissent les uns avec les autres d'une manière qui ressemble fortement aux modèles observés dans les populations de prédateurs et de proies.

Les résultats, Publié dans Lettres d'examen physique par les physiciens Chi Xue et Nigel Goldenfeld, sont une étape importante vers la compréhension des façons complexes dont les génomes changent au cours de la vie des organismes individuels, et comment ils évoluent au fil des générations.

"Ce sont des gènes qui sont actifs et qui modifient le génome en temps réel dans des cellules vivantes, et c'est un début pour essayer de vraiment les comprendre de manière beaucoup plus détaillée qu'auparavant, " dit Goldenfeld, qui dirige le thème de recherche sur la biocomplexité au Carl R. Woese Institute for Universal Biology (IGB). "Cela nous aide à comprendre l'évolution de la complexité et l'évolution des génomes."

L'étude a été soutenue par le Centre de physique des cellules vivantes, un Physics Frontiers Center de l'Illinois soutenu par la National Science Foundation, et l'Institut d'astrobiologie de la NASA pour la biologie universelle de l'Illinois, que dirige Goldenfeld.

Goldenfeld et Xue se sont lancés dans ce travail en raison de leur intérêt pour les transposons, de petites régions d'ADN qui peuvent se déplacer d'une partie du génome à une autre au cours de la vie d'une cellule, une capacité qui leur a valu le nom de « gènes sauteurs ». Collectivement, divers types de transposons constituent près de la moitié du génome humain. Quand ils se déplacent, ils peuvent créer des mutations ou altérer l'activité d'un gène fonctionnel; les transposons peuvent donc créer de nouveaux profils génétiques dans une population sur lesquels la sélection naturelle agira, de manière positive ou négative.

Les chercheurs de l'Illinois voulaient en savoir plus sur le fonctionnement de l'évolution à ce niveau, le niveau d'organismes entiers, en regardant l'écosystème métaphorique du génome humain. Dans cette vue, la structure physique de l'ADN qui compose le génome agit comme un environnement, dans lequel deux types de transposons, éléments nucléaires longs intercalés (LINEs) et éléments nucléaires courts intercalés (SINE), avoir une relation concurrentielle les uns avec les autres. Afin de reproduire, Les SINE volent la machinerie moléculaire que les LIGNES utilisent pour se copier, un peu comme un coucou trompe les autres oiseaux pour qu'ils élèvent ses poussins pour elle tout en abandonnant les leurs.

Avec l'aide d'Oleg Simakov, chercheur à l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa, Xue et Goldenfeld se sont concentrés sur la biologie des éléments L1 et des éléments Alu, respectivement les types communs de LINEs et SINEs dans le génome humain.

Les chercheurs ont adopté des méthodes de la physique statistique moderne et modélisé mathématiquement l'interaction entre les éléments Alu et L1 comme un processus stochastique, un processus créé à partir d'interactions fortuites. Cette méthode a été appliquée avec succès en écologie pour décrire les interactions prédateur-proie; Xue et Goldenfeld ont simulé les mouvements des transposons dans le génome humain avec la même méthode mathématique. Leurs modèles comprenaient une comptabilité détaillée de la façon dont les éléments Alu volent la machinerie moléculaire que les éléments L1 utilisent pour se copier.

Les résultats de Xue et Goldenfeld ont prédit que les populations d'éléments LINE et SINE dans le génome devraient osciller de la même manière que celles de, par exemple, les loups et les lapins pourraient.

"Nous avons réalisé que l'interaction des transposons était en fait assez semblable à l'interaction prédateur-proie en écologie, " a déclaré Xue. " Nous avons eu l'idée, pourquoi n'appliquons-nous pas la même idée de la dynamique prédateur-proie . . .nous nous attendions à voir les oscillations que nous voyons dans le modèle prédateur-proie. Nous avons donc d'abord fait la simulation et nous avons vu les oscillations auxquelles nous nous attendions, et nous étions vraiment excités."

En d'autres termes, trop de SINE et les LINEs commencent à souffrir, et bientôt il n'y en a plus assez pour tous les SINE à exploiter. Les SINE commencent à souffrir, et les LINEs font un come-back. Le modèle de Xue et Goldenfeld a fait la prédiction surprenante que ces oscillations se produisent sur une échelle de temps plus longue que la durée de vie humaine - des vagues d'éléments Alu et L1 se poussant et se tirant au ralenti à travers les générations de génomes humains qui les portent.

"L'aspect le plus éclairant de l'étude pour moi était le fait que nous pouvions vraiment calculer les échelles de temps, et voyez qu'il est possible que nous puissions observer ces choses, " a déclaré Goldenfeld. "Nous avons une prédiction de ce qui se passe dans les cellules individuelles, et nous pourrons peut-être faire une expérience pour observer ces choses, bien que la période soit plus longue que la durée de vie d'une seule cellule."

Dans une étude connexe, Le laboratoire de Goldenfeld a collaboré avec le laboratoire d'un collègue physicien et membre du thème de recherche de l'IGB Biocomplexité Thomas Kuhlman pour visualiser les mouvements des transposons dans les génomes des cellules vivantes. Grâce à ce type de technologie innovante, et en étudiant l'histoire de l'évolution moléculaire chez d'autres espèces, Goldenfeld et Xue espèrent tester certaines des prédictions faites par leur modèle et continuer à mieux comprendre le monde dynamique du génome.