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PHOTO: Le groupe étudie comment les erreurs de traduction affectent la variabilité phénotypique
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Crédit photo: Nivedita Mukherjee

L’immense diversité du monde vivant et ses origines ont toujours fait l’objet d’une enquête humaine. Après des siècles de jeu policier à la recherche de la base des parités et des disparités que nous voyons parmi les êtres vivants qui nous entourent, le siècle dernier a été témoin de merveilleuses découvertes en biologie, et aujourd’hui nous nous a été révélé le dogme central de la vie: l’ADN fait que l’ARN et l’ARN produisent des protéines (une simple vue d’une séquence d’événements beaucoup plus complexe). Avec les facteurs environnementaux contributifs, les protéomes (teneur totale en protéines d’une cellule) influencent conjointement les caractéristiques ou les propriétés des organismes qui diffèrent entre les individus d’une population. Dans une population, les individus dont les traits sont mieux adaptés à leur environnement ont une plus grande chance de survie et de reproduction que leurs concurrents et donc percolent à travers le tamis de la sélection naturelle et portent finalement ces traits «adaptatifs» à la génération suivante. Les changements dans le nombre d’individus portant chaque trait, que ce soit en raison de la sélection naturelle ou de simples coïncidences (dérive génétique), s’additionnent au fil des générations, et ainsi les populations évoluent avec le temps. Nous pouvons penser que cette vision trop simplifiée de la variabilité et de l’évolution est toute l’histoire, mais les moyens qui lient le génotype au phénotype, et donc à l’évolution, ne sont pas aussi simples. Selon la logique du dogme central, les personnes du même génotype vivant dans le même environnement devraient avoir le même phénotype. Mais est-ce toujours le cas? Par exemple, pensez aux jumeaux. Des jumeaux identiques sont créés en divisant un embryon dans l’utérus. Cela signifie que toutes les cellules des deux corps proviennent d’un seul zygote (ovule fécondé) et ont donc le même répertoire génétique. Cependant, si vous regardez attentivement, vous pouvez trouver de subtiles différences d’apparence qui peuvent vous aider à distinguer des jumeaux identiques qui ont également été élevés dans le même environnement. Quelle que soit la cause de ces différences, ce n’est certainement pas dans les gènes. D’où viennent ces différences et affectent-elles la survie et l’adaptation?

La variabilité phénotypique dans les populations de constitution génétique identique peut être attribuée à des sources non génétiques qui incluent à la fois des mécanismes cellulaires extrinsèques (environnementaux) et intrinsèques. Une telle source non génétique interne à la cellule contient des erreurs stochastiques dans l’expression génique. Tout comme un jeu de chuchotement chinois, la cellule fait des erreurs en copiant des informations de l’ADN à l’ARN et de l’ARN à la protéine, de sorte que la séquence finale de la protéine ne sera pas toujours exactement la séquence du gène d’origine dont elle est dérivée. Une grande partie de l’erreur dans le jeu cellulaire du chuchotement chinois provient de la dernière étape de la cascade d’expression génique, où l’ARN est traduit en protéine en raison de ses taux d’erreur exceptionnellement élevés (~ 1 sur 10 ^ 4). . Théoriquement, il semble raisonnable de supposer que les erreurs de traduction conduisent à l’hétérogénéité du protéome et produisent un large spectre de variabilité phénotypique dans la population, ce qui permet aux individus de réagir différemment à des exigences environnementales identiques et ainsi d’aider la population à mieux s’y adapter. Cependant, cette hypothèse contient un certain nombre de captures! Premièrement, la cellule a de nombreuses stratégies en place pour se protéger d’une mauvaise traduction des protéines, et par conséquent, des erreurs de traduction peuvent ne pas toujours entraîner une variabilité phénotypique. Deuxièmement, étant donné que les erreurs de production de protéines sont aléatoires et imprévisibles, la variabilité qui en résulte est plus susceptible d’avoir des conséquences mal assorties pour une population déjà optimisée pour un environnement particulier. Troisièmement, la variabilité du niveau de protéome n’est pas héréditaire et peut donc ne pas persister pendant des générations pour affecter une échelle de temps évolutive. Notre hypothèse évidente est-elle donc erronée?

Pour fournir une base empirique à ces hypothèses, les chercheurs Laasya Samhita et Parth Raval du Dr. Deepa Agashe du NCBS à notre bon vieil ami, la bactérie intestinale E. coli! Ils ont modifié les taux d’erreurs de traduction globaux (taux d’erreur de traduction des protéines) dans les bactéries par des manipulations génétiques et environnementales et ont évalué comment ces derniers affectent les paramètres au niveau de la population tels que le taux de croissance, le temps de latence et le rendement de croissance. Pour mesurer la variabilité phénotypique au niveau de la cellule unique, ils ont travaillé avec le chercheur Godwin Stephenson du Dr. Shashi Thutupalli au NCBS. Godwin a examiné des cellules individuelles d’E. Coli piégées dans les canaux d’un dispositif microfluidique pour étudier comment la manipulation des taux de traduction erronée affecte les paramètres cellulaires individuels tels que la longueur des cellules (affichage de l’état physiologique de la cellule) et le moment de la division (affichage de la taux de reproduction) Bactérie). Les résultats étaient intéressants! E. coli modifié pour avoir des taux d’erreurs de traduction plus élevés a montré une plus grande variabilité dans la longueur des cellules et le temps de division, tandis que l’inverse a été observé lorsque les taux d’erreurs de traduction ont été diminués. Cependant, mystérieusement, des corrélations similaires entre les niveaux de traduction erronée et la variabilité des paramètres de croissance au niveau de la population n’ont pas été systématiquement trouvées. Ces résultats confirment la prédiction selon laquelle une erreur de traduction plus élevée peut conduire à une variabilité phénotypique plus élevée, ce qui est la première capture dans notre hypothèse. Cependant, les résultats soulèvent une autre question: pourquoi la corrélation entre mauvaise traduction et variabilité observée pour les cellules individuelles ne tient-elle pas au niveau de la population? Peut-être que la variabilité au niveau de la cellule unique est prévisible et uniforme entre les populations, de sorte qu’elle est équilibrée et ne se manifeste pas comme une variation entre les populations. Ou peut-être une augmentation de la variabilité de cellule à cellule entraîne la production de plus de cellules avec des phénotypes sous-optimaux qui sont éliminées de la population en raison de la sélection et ne peuvent donc pas contribuer à des paramètres tels que le taux de croissance de la population. Il peut y avoir plusieurs options, mais nous ne pouvons pas encore dire laquelle est correcte.

Maintenant que nous avons une idée de la façon dont une mauvaise traduction affecte la variabilité, passons au deuxième point de notre hypothèse et examinons si la variabilité causée par une mauvaise traduction est adaptative ou mal adaptable pour la population. Laasya et Parth ont constaté que tant l’augmentation que la diminution de la variabilité causée par une mauvaise traduction s’avèrent être préjudiciables aux bactéries dans des conditions environnementales optimales. Pour découvrir ce que cette observation implique, pensez aux cellules comme à marcher sur une corde raide en essayant de trouver un équilibre entre la précision et la vitesse de traduction des protéines. Tout comme une trop grande erreur de traduction est susceptible d’entraîner des protéines gravement malformées qui ne font pas leur travail, leur haute précision nécessite des étapes très lentes et calibrées dans la production de protéines qui peuvent augmenter le temps nécessaire aux cellules pour se diviser et ralentir ainsi la croissance de la population. Une inclinaison dans un sens ou dans l’autre peut faire tomber la cellule de la corde. De manière surprenante, cependant, il a souvent été constaté que les cellules à traduction incorrecte survivent mieux dans des situations stressantes telles que des températures élevées ou la faim. Cela a du sens car plus l’erreur de traduction est élevée, plus la variabilité est élevée et plus la probabilité que certaines personnes de la population soient mieux adaptées à des conditions environnementales stressantes est élevée. Ceci n’est qu’une hypothèse. Bien qu’une variabilité plus élevée soit associée à une survie plus élevée sous stress, on ne sait pas si la relation entre les deux est celle de la cause et de l’effet directs, comme cela apparaît intuitivement, ou si des voies indirectes les reliant sont en jeu. En outre, une brève impulsion initiale de changements de taux de traduction incorrecte était suffisante pour obtenir une meilleure survie au stress au fil des générations. et il y a le troisième piège dans notre hypothèse, qui a remis en question si les effets d’une mauvaise traduction peuvent être reportés à travers les générations! Cette dernière observation est étrange, car la variabilité qui résulte de changements exclusivement dans le protéome n’est pas censée être héréditaire. Les raisons de cette observation peuvent être variées, mais une expérimentation supplémentaire est nécessaire pour arriver à une conclusion finale. Cette question est désormais ouverte à l’enquête.

L’étude examinée est l’une des rares tentatives de relier les erreurs dans les processus cellulaires à la variabilité et à l’évolution. « La découverte que les erreurs de traduction peuvent augmenter la variabilité phénotypique des traits de fitness est passionnante et potentiellement pertinente pour l’évolution. Les travaux futurs devraient nous en dire plus sur l’importance de cette observation pour les populations bactériennes naturelles », déclare Laasya Samhita, auteur principal de l’article qui émergé de cette étude (vous pouvez le trouver ici). Bien que l’étude aborde certains problèmes clés de la biologie évolutive, elle en a finalement découvert quelques nouveaux. Pourquoi la variabilité induite par erreur de traduction d’une cellule à l’autre n’apparaît-elle pas au niveau de la population? Comment les cellules avec des taux de traduction incorrecte plus élevés survivent-elles mieux dans des conditions stressantes? Comment l’hétérogénéité du protéome persiste-t-elle au fil des générations de division cellulaire? Il y a un trésor de réponses et peut-être d’autres questions à découvrir. Nous rencontrerons de nombreuses questions et hypothèses «évidentes» alors que nous continuerons à jouer aux détectives pour démêler la nature. Mais la chose la plus importante à retenir est une maxime de nul autre que notre détective consultant préféré Sherlock Holmes: « Il n’y a rien de plus trompeur qu’un fait évident. »

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