La théorie du paysage énergétique éclaire l’évolution des protéines pliables

Une nouvelle étude menée par Peter Wolynes de l’Université Rice offre de nouvelles perspectives sur l’évolution des protéines pliables. La recherche a été publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Des chercheurs de Rice et de l’Université de Buenos Aires ont utilisé la théorie du paysage énergétique pour distinguer les parties pliables et non pliables des séquences protéiques. Leur étude éclaire le débat en cours sur la question de savoir si les fragments d’ADN qui codent uniquement pour une partie d’une protéine lors de leur origine peuvent se replier d’eux-mêmes.

Les chercheurs se sont concentrés sur la relation étroite entre les exons dans les structures protéiques et l’évolution de la capacité de pliage des protéines. Ils ont souligné l’importance des exons, les parties du gène qui codent pour les protéines, et des introns, les régions silencieuses éliminées lors de la traduction des gènes en protéines.

« En utilisant les vastes données sur l’organisation génomique des exons et des introns et sur la séquence des protéines désormais disponibles, nous avons exploré la conservation des limites des exons et évalué son comportement à l’aide de mesures théoriques du paysage énergétique », a déclaré Wolynes, professeur de sciences de la Fondation DR Bullard-Welch, professeur de chimie, de biosciences, de physique et d’astronomie et codirecteur du Centre de physique biologique théorique (CTBP).

Lorsque les gènes en morceaux ont été découverts dans les années 1970, on a immédiatement suggéré qu’en décomposant la séquence, cette structure aidait à construire des protéines pliables. Lorsque les chercheurs ont réexaminé cette question dans les années 1990, les données existantes étaient équivoques, a déclaré Wolynes.

L’équipe a désormais évalué les exons comme des modules potentiels de repliement des protéines dans 38 familles de protéines abondantes et conservées. Au fil des générations, les exons peuvent se déplacer de manière aléatoire le long du génome, entraînant des changements importants dans les gènes et la création de nouvelles protéines. Les résultats ont indiqué des écarts dans la distribution de la taille des exons par rapport à la décroissance exponentielle, suggérant qu’il y a eu une sélection évolutive.

« Le repliement et l’évolution des protéines sont des phénomènes étroitement liés », a déclaré Ezequiel Galpern, chercheur postdoctoral à l’Université de Buenos Aires.

Les protéines naturelles sont des chaînes linéaires d’acides aminés qui se replient généralement en structures tridimensionnelles compactes pour remplir des fonctions biologiques. La séquence spécifique des acides aminés détermine la structure 3D finale. Par conséquent, l’idée que les exons se traduisent en régions protéiques repliées indépendamment, ou foldons, est très attrayante.

À l’aide de méthodes informatiques, les chercheurs ont mesuré la probabilité que la chaîne d’acides aminés codée par un exon se replie en une structure 3D stable, similaire à la protéine complète. Leurs résultats ont montré que même si tous les exons ne conduisent pas à des modules pliables, les exons les plus conservés, présents de manière constante dans divers organismes, correspondent à de meilleurs foldons.

L’étude a mis en évidence une corrélation entre le repliement des protéines et l’évolution de certaines familles de protéines globulaires. Le repliement des protéines implique le repliement des chaînes d’acides aminés dans l’espace pour effectuer des fonctions biologiques dans des échelles de temps pertinentes. Cette corrélation est un concept fondamental en science des protéines, évalué à l’aide de données génomiques et de fonctions énergétiques.

Il est intéressant de noter que cette tendance générale ne s’applique pas à toutes les familles de protéines, ce qui suggère que d’autres facteurs biologiques peuvent influencer le repliement et l’évolution des protéines. Les travaux des chercheurs ouvrent la voie à de futures études visant à comprendre ces facteurs supplémentaires et leur impact sur la biologie évolutive.

L’équipe de recherche comprend Carlos Bueno, chercheur postdoctoral au CTPB ; Hana Jaafari, étudiante diplômée en physique appliquée à Rice ; et Diego U. Ferreiro, professeur à l’Université de Buenos Aires.