novembre 27, 2021

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Codetta décode le code génétique de 250 000 génomes

sommaire

Codetta, une nouvelle méthode de calcul pour prédire les codes génétiques, pourrait révéler des informations sur la façon dont certains organismes modifient un code que l’on croyait auparavant universel.

Les scientifiques ont conçu un logiciel capable de lire le génome d’un organisme et d’apprendre les groupes de trois lettres, ou codons, qui codent pour un acide aminé particulier (indiqué par un disque rouge). Crédit : illustration par James Yang/www.jamesyang.com

Au XIXe siècle, la pierre de Rosette – une ancienne dalle rocheuse inscrite en trois langues – a aidé les scientifiques à déchiffrer les hiéroglyphes égyptiens. Maintenant, un programme informatique fait quelque chose de similaire au code génétique.

Le programme, appelé Codetta, peut lire la séquence du génome de n’importe quel organisme, puis cracher son code génétique.La clé biologique qui traduit l’information génétique en instructions pour la construction de protéines. Dans la plupart des parties de l’Arbre de Vie, ce symbole est universel. Mais les scientifiques ont trouvé quelques exceptions – dans certains organismes, l’information génétique code pour des instructions différentes de celles d’autres formes de vie.

Dans le plus grand criblage à ce jour de ces codes génétiques alternatifs, le programme a scanné plus de 250 000 séquences de génomes de bactéries et d’archées et a identifié cinq codons jamais vus auparavant, Kate Shulgina de l’Université Harvard et Howard Hughes, un chercheur médical. Shawn Eddy Rapport du 9 novembre 2021 dans la revue, eLife. « J’ai dit à Kate que ses nouveaux codes seraient inclus directement dans les manuels », explique Eddy.

La méthode de l’équipe est plus rapide, plus rigoureuse et plus complète que les efforts précédents, explique Ken Wolf, un généticien évolutionniste à l’University College Dublin qui n’a pas été impliqué dans la recherche. « Ils ont étudié tous les génomes disponibles de bactéries et d’archées – en gros, toutes les données disponibles. »

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Implications pratiques pour une action immédiate : les scientifiques utilisant Codetta, Et il est disponible gratuitement, sera capable de prédire correctement les protéines qu’un organisme fabrique. Mais le programme peut également débloquer des informations biologiques plus complètes.

La découverte de l’ensemble du code génétique utilisé dans les royaumes de la vie pourrait révéler un mystère biologique de longue date : comment un organisme pourrait-il changer son code génétique. « Il y a toutes sortes de théories, mais ça reste un vrai mystère », dit Eddy. « Comment cela pourrait-il arriver? »

Exceptions à la règle

Shulgina a découvert pour la première fois l’existence de codes génétiques alternatifs en 2016. Elle était étudiante en première année de cycle supérieur à l’Université Harvard, et cette idée a éveillé son intérêt.

Les élèves apprennent un principe de base qui sous-tend une grande partie de la biologie moléculaire : l’ADN code les instructions pour la construction des protéines. La cellule convertit l’ADN en messages d’ARN, puis traduit des blocs d’ARN de trois lettres en blocs de construction de protéines appelés acides aminés. Le code génétique est la « table de recherche » qui indique aux cellules quelles lettres coder pour trois acides aminés. Dans des organismes aussi divers que les colibris, bactéries coli, et la moisissure du pain, par exemple, a le code GGC pour l’acide aminé glycine.

Dans l’ADN, quatre bases chimiques (indiquées en vert, rouge, bleu et orange) réunies en longs brins contiennent des instructions pour la construction de protéines. Crédit : Irving Geis/HHMI

Jusqu’en 1979, la plupart des chercheurs croyaient que cela était universellement vrai. Cette année-là, le biologiste moléculaire Bart Barrell et ses collègues J’ai découvert Kharga. Les mitochondries humaines, les usines énergétiques de la cellule, ont modifié le code. Les chercheurs ont signalé que les lettres UGA codent pour l’acide aminé tryptophane plutôt qu’un signe d’arrêt indiquant la fin de la protéine, et AUA code pour la méthionine au lieu de l’isoleucine. C’était la première idée que le code génétique n’avait pas été gravé dans la pierre. peut évoluer.

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Au cours des décennies qui ont suivi, d’autres exemples de codes génétiques alternatifs ont afflué, provenant d’organismes tels que la levure, les bactéries et les protozoaires. Les scientifiques ont maintenant identifié près de 30 nouveaux symboles, et Shulgina s’est demandé s’il y en avait plus. Personne n’a mené d’enquête systématique. Sans connaître tous les codes génétiques utilisés, dit-elle, il est difficile de répondre aux questions générales sur l’évolution de ces variantes. « J’ai commencé à travailler sur un moyen de trouver de nouveaux codes génétiques pour comprendre leur évolution », dit-elle.

Elle a commencé à concevoir un algorithme capable de déchiffrer le code génétique de n’importe quel organisme et est venue demander conseil à Eddie. Eddy, un biologiste dont le laboratoire est spécialisé dans la comparaison des génomes, réfléchissait également à ce problème. « J’ai un petit carnet d’idées sur lesquelles je veux travailler, et c’était à l’intérieur », dit-il.

À la recherche de nouveaux codes génétiques

Shulgina a rejoint le laboratoire d’Eddie, et au cours des cinq années suivantes, leur idée s’est cristallisée sous la forme d’un programme informatique qu’ils ont appelé Codetta. En théorie, dit Shulgina, le principe du programme est simple.

Codetta lit le génome, puis clique sur une base de données de protéines connues pour calculer un éventuel code génétique. « Ma méthode tire parti du fait que l’on en sait beaucoup sur l’apparence attendue des protéines », dit-elle. Le logiciel peut utiliser ces informations pour découvrir quels groupes de trois lettres dans une séquence génomique particulière correspondent à des acides aminés.

Jusqu’à présent, les scientifiques utilisant des programmes similaires ont pu analyser des centaines de séquences génomiques. Codetta augmente considérablement la capacité des scientifiques à déchiffrer les codes, permettant à l’équipe de dépister systématiquement presque toutes les bactéries et archées connues – plus de 250 000 génomes – à la recherche de nouveaux codes génétiques.

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Leur analyse a révélé quelques surprises. L’équipe a découvert cinq cas dans lesquels le code de l’acide aminé arginine a été réinitialisé à un autre acide aminé. Les résultats représentent la première fois que les scientifiques ont vu un tel échange chez les bactéries. Shulgina dit que la grande question est de savoir pourquoi le code de l’arginine est si souvent modifié. Cela pourrait indiquer les forces évolutives responsables de l’élaboration de nouveaux codes.

Shulgina et Eddy sont maintenant à la recherche de nouvelles icônes. Comme ils ont tendance à apparaître dans de petits génomes, l’équipe prévoit de récupérer Codetta des virus et des parties cellulaires telles que les mitochondries et les chloroplastes. « Ce sera un riche terrain de chasse », dit Eddy.

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la citation

Y. Shulgina et S.R. Eddy. « Criblage informatique de codes génétiques alternatifs dans plus de 250 000 génomes.  » eLife. Publié en ligne le 9 novembre 2021. doi: 10.7554 / eLife.71402