De nouveaux gènes peuvent naître de rien


La complexité des organismes vivants est codée dans leurs gènes, mais d’où viennent ces gènes ? Des chercheurs de l’Université d’Helsinki ont résolu des questions en suspens concernant l’origine des petits gènes régulateurs et ont décrit un mécanisme qui crée leurs palindromes d’ADN. Dans des circonstances appropriées, ces palindromes évoluent en gènes microARN.

Le génome humain contient env. 20 000 gènes utilisés pour la construction de protéines. Les actions de ces gènes classiques sont coordonnées par des milliers de gènes régulateurs, dont le plus petit code pour des molécules de microARN mesurant 22 paires de bases. Bien que le nombre de gènes reste relativement constant, de nouveaux gènes apparaissent occasionnellement au cours de l’évolution. À l’instar de la genèse de la vie biologique, l’origine de nouveaux gènes continue de fasciner les scientifiques.

Toutes les molécules d’ARN nécessitent des séries palindromiques de bases qui verrouillent la molécule dans sa conformation fonctionnelle. Il est important de noter que les chances que des mutations de bases aléatoires forment progressivement de telles séquences palindromiques sont extrêmement faibles, même pour les gènes simples de microARN. L’origine de ces séquences palindromiques a donc intrigué les chercheurs. Des experts de l’Institut de biotechnologie de l’Université d’Helsinki, en Finlande, ont résolu ce mystère en décrivant un mécanisme capable de générer instantanément des palindromes d’ADN complets et ainsi de créer de nouveaux gènes de microARN à partir de séquences d’ADN auparavant non codantes.

Dans le cadre d’un projet financé par l’Académie de Finlande, des chercheurs ont étudié les erreurs de réplication de l’ADN. Ari Löytynoja, le chef du projet, compare la réplication de l’ADN à la saisie d’un texte.

« L’ADN est copié une base à la fois, et généralement les mutations sont des bases uniques erronées, comme des erreurs de frappe sur le clavier d’un ordinateur portable. Nous avons étudié un mécanisme créant des erreurs plus importantes, comme le copier-coller de texte à partir d’un autre contexte. Nous étions particulièrement intéressés par les cas. qui copiait le texte à l’envers pour créer un palindrome.

Les chercheurs ont reconnu que les erreurs de réplication de l’ADN pouvaient parfois être bénéfiques. Ils ont décrit ces découvertes à Mikko Frilander, un expert en biologie de l’ARN. Il a immédiatement vu le lien avec la structure des molécules d’ARN.

« Dans une molécule d’ARN, les bases des palindromes adjacents peuvent s’apparier et former des structures ressemblant à une épingle à cheveux. De telles structures sont cruciales pour le fonctionnement des molécules d’ARN », explique-t-il.

Les chercheurs ont décidé de se concentrer sur les gènes des microARN en raison de leur structure simple : les gènes sont très courts – quelques dizaines de bases seulement – ​​et ils doivent se replier en une structure en épingle à cheveux pour fonctionner correctement.

Une idée centrale consistait à modéliser l’histoire des gènes à l’aide d’un algorithme informatique personnalisé. Selon le chercheur postdoctoral Heli Mönttinen, cela permet jusqu’à présent d’examiner de plus près l’origine des gènes.

« Le génome complet de dizaines de primates et de mammifères est connu. Une comparaison de leurs génomes révèle quelles espèces possèdent la paire de palindromes de microARN et lesquelles en sont dépourvues. Avec une modélisation détaillée de l’histoire, nous avons pu voir que des palindromes entiers sont créés par un seul événements de mutation », explique Mönttinen.

En se concentrant sur les humains et d’autres primates, des chercheurs d’Helsinki ont démontré que le mécanisme nouvellement découvert peut expliquer au moins un quart des nouveaux gènes de microARN. Comme des cas similaires ont été trouvés dans d’autres lignées évolutives, le mécanisme d’origine semble universel.

En principe, l’apparition de gènes de microARN est si simple que de nouveaux gènes pourraient affecter la santé humaine. Heli Mönttinen voit l’importance de son travail de manière plus large, par exemple dans la compréhension des principes fondamentaux de la vie biologique.

« L’émergence de nouveaux gènes à partir de rien a fasciné les chercheurs. Nous disposons désormais d’un modèle élégant pour l’évolution des gènes à ARN », souligne-t-elle.

Bien que les résultats soient basés sur de petits gènes régulateurs, les chercheurs pensent que les résultats peuvent être généralisés à d’autres gènes et molécules d’ARN. Par exemple, en utilisant les matières premières générées par le mécanisme nouvellement découvert, la sélection naturelle peut créer des structures et des fonctions d’ARN beaucoup plus complexes.

L’étude a été publiée dans PNAS.

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