La famille des protéines montre comment la vie s’adapte à l’oxygène

Les scientifiques de Cornell ont créé un modèle évolutif reliant les organismes vivant dans l’atmosphère riche en oxygène d’aujourd’hui il y a des milliards d’années – à une époque où l’atmosphère terrestre avait peu d’oxygène – en analysant les nucléotides réductases (RNR), une famille de protéines utilisées par toutes les personnes vivant librement. De nombreux organismes et virus réparent et répliquent l’ADN.

En comprenant l’évolution de ces protéines, nous pouvons comprendre comment la nature s’adapte aux changements environnementaux au niveau moléculaire. En retour, nous apprenons également sur le passé de notre planète. Nozomi Andō, professeur agrégé de chimie et de biologie chimique au Collège des arts et des sciences et auteur correspondant de l’étude. « Une analyse phylogénétique complète de la famille des ribonucléotides réductases révèle un clade ancestralPublié dans eLife Digest le 4 octobre.

Les co-auteurs de l’étude sont Audrey Burnim et Da Shaw, doctorants en chimie et biologie chimique, et Matthew Spence, School of Chemistry Research, Australian National University, Canberra. Colin J. Jackson, professeur de chimie, Université nationale australienne, Canberra, auteur de l’interview.

Cet engagement comprenait un grand ensemble de données de 6 779 séquences RNR ; La théorie de l’évolution a pris de nombreux ordinateurs hautes performances pendant sept mois combinés (1,4 million d’heures CPU) pour être calculée. Cette approche est rendue possible par les avancées informatiques et ouvre une nouvelle voie pour étudier d’autres familles de protéines diverses d’importance évolutive ou médicale.

Ando a déclaré que les RNR se sont adaptés aux changements de l’environnement sur des milliards d’années pour maintenir leur mécanisme catalytique en raison de leur rôle essentiel dans la vie basée sur l’ADN. Son laboratoire étudie la différenciation des protéines – Comment les protéines sont capables de changer d’activité en réponse à l’environnement. L’information évolutive en phylogénie nous donne un moyen d’étudier la relation entre la séquence initiale d’une protéine, sa structure tridimensionnelle, sa dynamique et sa fonction.

Ando pense que les RNR ont des origines anciennes car ils catalysent une réaction qui convertit les blocs de construction d’ARN en blocs de construction d’ADN, a déclaré Ando, ​​ce qui les rend idéaux pour trouver un enregistrement moléculaire.

« Cette chimie était nécessaire pour passer du monde putatif de l’ARN au monde ADN/protéine dans lequel nous vivons actuellement », a déclaré Ando. « Sur la base des cofacteurs utilisés par les RNR, il est également clair que cette famille d’enzymes s’est adaptée à l’augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre. Les deux transformations se sont produites il y a des milliards d’années. »

Lorsque les scientifiques créent une souche à partir d’une famille de protéines, a déclaré Ando, ​​ils calculent à quoi ressembleraient les séquences existantes. Dans le processus, ils doivent estimer ce qui s’est passé dans le passé pour obtenir les séquences qui sont maintenant.

Selon Burnim, les chercheurs ont calculé la souche RNR en collectant un ensemble de données de plus de 100 000 séquences et en le formatant en un ensemble de données calculables de 6 779 séquences tout en préservant la diversité de toute la famille. Les séquences varient en longueur d’environ 400 à 1 100 acides aminés. À l’aide de modèles de mutation des acides aminés, ils ont comparé les séquences entre elles pour déterminer quand elles divergent.

À partir de ces travaux, les chercheurs ont découvert un nouveau groupe distinct de RNR qui expliquerait comment deux adaptations différentes à l’oxygène ont émergé sur Terre au sein de cette famille de protéines.

Ils ont utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles dans Source synchrotron haute puissance Cornellmicroscope électronique cryogénique dans Centre Cornell pour la recherche sur les matériaux Le programme d’IA AlphaFold2 pour étudier le RNR du phage S-CBP4 de Synechococcus, un virus qui infecte les cyanobactéries, a déclaré Xu.

« Lorsque nous avons calculé l’arbre généalogique des RNR, il s’est avéré qu’il y avait une branche de RNR dont nous ne savions pas qu’il s’agissait d’une lignée distincte », a déclaré Ando. Cette branche comprenait des séquences d’organismes marins dont des carex bleus. Notre description d’une des séquences indique qu’il y a eu une adaptation précoce à l’oxygène. La connexion cyanophage était intéressante car elle suggérait que leurs hôtes (cyanobactéries) étaient présents en même temps, et que les cyanobactéries sont créditées de fournir de l’oxygène à la Terre. « 

Ando a déclaré que les résultats soutiennent l’idée que l’adaptation moléculaire à l’oxygène s’est produite beaucoup plus tôt que les changements environnementaux à grande échelle sur la planète, comme le datent les archives géochimiques.

Ce modèle évolutif unifié unique en son genre pour toutes les classes de RNR pourrait fournir de nombreuses orientations futures pour le domaine, a déclaré Shaw.

Ando envisage d’utiliser la même approche pour étudier comment des enzymes ayant la même structure générale évoluent pour catalyser des réactions chimiques complètement différentes.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, le National Institute of General Medical Sciences, les National Institutes of Health et l’Empire State Development Corporation de l’État de New York.

Kate Blackwood est écrivain au Collège des arts et des sciences.