Reconstitution de l’histoire évolutive des enzymes détoxifiantes —

Les FMO sont présents dans toutes les formes de vie, des bactéries aux plantes et aux animaux. Chez l’homme, les FMO peuvent décomposer un large éventail de substances toxiques. Sur les cinq gènes FMO présents chez l’homme, voire chez tous les tétrapodes (animaux vertébrés à quatre membres), quatre sont responsables de l’oxydation de groupes spécifiques (hétéroatomes) en molécules toxiques pour les rendre inoffensifs. Cependant, FMO5 provoque une réaction chimique très différente, insérant un atome d’oxygène entre deux atomes de carbone dans un composé cétone ou aldéhyde.

Arbre évolutif

«Notre question était de savoir pourquoi ce gène FMO produit une enzyme avec une activité différente», explique Laura Mascotti, spécialisée dans la reconstruction de l’histoire évolutive des protéines. Mascotti est postdoctorant au sein du groupe de recherche de l’Université de Groningue dirigé par le professeur d’ingénierie enzymatique Marco Fraaije, et l’auteur final du Communication Nature papier. La duplication de gènes est assez courante et la théorie de l’évolution permet à différentes copies du même gène de diverger. “Nous voulions savoir si le FMO5 développait un nouveau mécanisme de réaction, ou si le gène ancestral pouvait déclencher les deux réactions, et les autres FMO perdaient plus tard l’un des deux.”

Outre la curiosité – le groupe Fraaije a précédemment reconstruit la structure de quatre FMO ancestrales sur cinq de mammifères – ce travail pourrait aider à modifier l’action de l’enzyme ou à concevoir des médicaments qui sont activés par elle. Mascotti : “Pour notre article précédent, nous avons compilé des séquences d’enzymes FMO dans tous les organismes vivants, que nous avons ensuite utilisées pour construire un arbre évolutif.” Cela a révélé que les FMO de mammifères 1 à 4 étaient étroitement liés, tandis que le FMO5 était légèrement différent. “Étant donné que tous les tétrapodes possèdent ces cinq gènes, nous savions à peu près quand le gène ancestral avait divergé en ces deux versions.”

Enzymes ressuscitées

Elle a calculé la séquence d’acides aminés la plus probable pour l’enzyme ancestrale commune, ainsi que les gènes ancestraux pour les FMO 1-4 et FMO5. «Nous l’avons fait en déduisant l’acide aminé le plus probable dans chaque position de la protéine», explique Mascotti. “Le résultat n’est probablement pas la séquence originale précise, mais il peut toujours reproduire l’activité de l’enzyme avec un degré de probabilité élevé.” Une fois ce travail effectué, l’étape suivante consistait à ressusciter les enzymes ancestrales. “A cette fin, nous avons ordonné les gènes qui produiraient les enzymes ancestrales, et les avons exprimés dans E. coli. Cela a produit les enzymes, et nous avons alors pu déterminer leur activité.

Les enzymes ressuscitées produisirent des résultats attendus et inattendus : « Les ancêtres des deux types d’enzymes présentaient à peu près la même activité qu’aujourd’hui. Cependant, l’enzyme ancestrale des cinq FMO pourrait catalyser les deux réactions», déclare Mascotti. L’enzyme pourrait oxyder à la fois les hétéroatomes, les cétones et les aldéhydes. Ceci suggère que les gènes actuels ont tout simplement perdu l’une de ces fonctions. De plus, les chercheurs ont démontré que des changements dans seulement trois acides aminés de la structure enzymatique expliquaient cette différence d’activité.

«Cela signifie que l’histoire de ces enzymes est assez simple», conclut Mascotti. « Nous croyons que le gène ancestral pourrait tout faire. Ce gène a ensuite été copié, ce qui a permis aux copies excédentaires d’évoluer plus librement, ce qui a donné des enzymes différentes pour les deux fonctions. Fait intéressant, cela s’est produit à une époque où les tétrapodes se déplaçaient de l’océan vers la terre. “Les plantes produisent beaucoup de métabolites toxiques, il y avait donc un avantage sélectif pour les animaux qui pouvaient décomposer ces toxines efficacement.”

Drogues

Les chercheurs ont également découvert que le cofacteur utilisé par les enzymes est important pour le type de réaction qu’elles déclenchent. «Les acides aminés qui ne font pas partie du site actif mais qui interagissent avec le cofacteur semblent être vitaux. Habituellement, les cofacteurs ne sont que des donneurs d’électrons, mais dans ce cas, ils déterminent le type d’activité, ce qui est tout à fait unique. Cette connaissance de la relation entre la structure et la fonction des enzymes est importante pour manipuler les enzymes détoxifiantes ou pour concevoir des inhibiteurs qui réduiraient la dégradation des médicaments.

Mascotti : « Nous avons satisfait notre curiosité à propos de l’histoire de ces enzymes et découvert de nouvelles connaissances sur leur fonctionnement. De plus, nous ne pouvions le faire qu’en collaborant au sein d’une équipe très diversifiée, avec des spécialistes de l’enzymologie, de l’évolution et de la structure des protéines.