La science des données révèle des règles universelles qui façonnent les centrales électriques des cellules


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  • Les mitochondries sont des compartiments – appelés « organites » – dans nos cellules qui fournissent l’énergie chimique dont nous avons besoin pour bouger, penser et vivre. Les chloroplastes sont des organites des plantes et des algues qui captent la lumière du soleil et effectuent la photosynthèse. À première vue, ils pourraient sembler des mondes à part. Mais une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l’Université de Bergen, a utilisé la science des données et la biologie computationnelle pour montrer que les mêmes « règles » ont façonné la façon dont les deux organites – et plus encore – ont évolué tout au long de l’histoire de la vie.

    Les deux types d’organites étaient autrefois des organismes indépendants, avec leurs propres génomes complets. Il y a des milliards d’années, ces organismes ont été capturés et emprisonnés par d’autres cellules – les ancêtres des espèces modernes. Depuis lors, les organites ont perdu la plupart de leurs génomes, avec seulement une poignée de gènes restants dans l’ADN mitochondrial et chloroplastique moderne. Ces gènes restants sont essentiels à la vie et importants dans de nombreuses maladies dévastatrices, mais la raison pour laquelle ils restent dans l’ADN des organites – alors que tant d’autres ont été perdus – fait l’objet de débats depuis des décennies.

    Pour une nouvelle perspective sur cette question, les scientifiques ont adopté une approche basée sur les données. Ils ont recueilli des données sur tout l’ADN organite qui a été séquencé au cours de la vie. Ils ont ensuite utilisé la modélisation, la biochimie et la biologie structurale pour représenter un large éventail d’hypothèses différentes sur la rétention des gènes sous la forme d’un ensemble de nombres associés à chaque gène. À l’aide d’outils de la science des données et des statistiques, ils ont demandé quelles idées pouvaient le mieux expliquer les modèles de gènes conservés dans les données qu’ils avaient compilées – en testant les résultats avec des données inédites pour vérifier leur puissance.

    « Certains modèles clairs ont émergé de la modélisation », explique Kostas Giannakis, chercheur postdoctoral à Bergen et premier co-auteur de l’article. « Beaucoup de ces gènes codent pour des sous-unités de machines cellulaires plus grandes, qui sont assemblées comme un puzzle. Les gènes des pièces au milieu du puzzle sont les plus susceptibles de rester dans l’ADN des organites. »

    L’équipe pense que c’est parce que le contrôle local de la production de ces sous-unités centrales aide l’organite à réagir rapidement au changement – une version du modèle dit « CoRR ». Ils ont également trouvé un soutien pour d’autres idées existantes, débattues et nouvelles. Par exemple, si un produit génique est hydrophobe – et difficile à importer de l’extérieur dans l’organite – les données montrent qu’il y est souvent retenu. Les gènes eux-mêmes codés à l’aide de groupes chimiques à liaison plus forte sont également plus souvent conservés, peut-être parce qu’ils sont plus robustes dans l’environnement hostile de l’organite.

    « Ces différentes hypothèses ont généralement été considérées comme concurrentes dans le passé », explique Iain Johnston, professeur à Bergen et chef de l’équipe. « Mais en fait, aucun mécanisme unique ne peut expliquer toutes les observations – il faut une combinaison. Une force de cette approche impartiale et basée sur les données est qu’elle peut montrer que beaucoup d’idées sont en partie justes, mais aucune ne l’est exclusivement – expliquant peut-être le long débat sur ces sujets. »

    À leur grande surprise, l’équipe a également découvert que leurs modèles formés pour décrire les gènes mitochondriaux prédisaient également la rétention des gènes des chloroplastes, et vice versa. Ils ont également découvert que les mêmes caractéristiques génétiques façonnant l’ADN mitochondrial et chloroplastique semblent également jouer un rôle dans l’évolution d’autres endosymbiontes – des organismes qui ont été plus récemment capturés par d’autres hôtes, des algues aux insectes.

    « C’était un moment époustouflant », dit Johnston. « Nous – et d’autres – avons eu cette idée que des pressions similaires pourraient s’appliquer à l’évolution de différents organites. Mais pour voir ce lien universel et quantitatif – les données d’un organite prédisant avec précision les modèles dans un autre, et dans des endosymbiontes plus récents – – était vraiment frappant. »

    La recherche fait partie d’un projet plus large financé par le Conseil européen de la recherche, et l’équipe travaille actuellement sur une question parallèle : comment différents organismes maintiennent les gènes d’organites qu’ils conservent. Les mutations de l’ADN mitochondrial peuvent provoquer des maladies héréditaires dévastatrices ; l’équipe utilise la modélisation, les statistiques et les expériences pour explorer comment ces mutations sont traitées chez les humains, les plantes, etc.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par L’Université de Bergen. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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