Les gènes sauter accélèrent l’évolution bactérienne en laboratoire

La structure du génome – comment les gènes sont organisés dans des séquences d’ADN dans un organisme – est fondamentale pour les processus et les fonctions des organismes.

Une équipe de l’Université de Tokyo a développé un système pour contrôler et accélérer l’évolution des changements dans la structure du génome bactérien, ciblant de petits «gènes de saut» ou des séquences d’ADN appelées séquences d’insertion. L’étude est publiée dans la revue Recherche des acides nucléiques.

“La plupart de ce que nous savons de l’évolution vient de l’étude du passé. Mais certains événements, comme l’origine des mitochondries ou d’autres organites, laissent peu de traces, ce qui rend difficile la reconstruction de la façon dont ils se sont produits”, a expliqué Yuki Kanai.

“D’un autre côté, les expériences qui évoluent les organismes du laboratoire n’impliquent généralement que de petits changements génétiques. Notre recherche comble cet écart en accélérant l’évolution du génome chez les bactéries, nous permettant d’observer directement des changements à grande échelle dans la structure du génome.”

Les chercheurs étudient souvent les génomes bactériens, avec leur taille et leur cohérence relativement faibles, utiles pour modéliser les changements de physiologie, d’écologie et d’évolution. Les séquences d’insertion (ISS) sont connues pour «sauter» ou changer leur position dans un génome et sont des moteurs drastiques de changements évolutifs dans la structure du génome bactérien. De tels changements peuvent entraîner des mutations ou leur inversion et modifier l’identité ou la taille du génome.

Dans des conditions ordinaires, le rythme lent et l’évolution des conditions environnementales accordent des limites à l’isolement du rôle précis de l’ISS dans l’évolution.

Chez Escherichia coli (E. coli), un organisme modèle largement étudié important pour la biotechnologie et la microbiologie, la transposition se produit généralement une fois par an (ou tous les milliers de générations). Kanai et l’équipe ont trouvé un moyen d’accélérer les changements en introduisant plusieurs copies de l’ISS à haute activité dans E. coli.

La source d’inspiration pour leur méthode est venue d’une collaboration fortuite avec des chercheurs enquêtant sur l’évolution des insectes, raconte Kanai.

“Certaines bactéries associées aux insectes ont de minuscules génomes, un dixième de la taille de leurs parents libres, contenant de nombreux` `gènes de saut” appelés transposons. Ces transposons peuvent avoir aidé à rétrécir le génome en coupant et remaniant l’ADN.

Dans les expériences, les organismes d’essai ont rapidement accumulé des changements dans leur ADN – environ 25 nouvelles insertions d’éléments génétiques mobiles et plus d’une augmentation ou d’une diminution de la taille du génome de 5% – en seulement 10 semaines, un taux similaire à ce qui se passe habituellement au fil des décennies dans la nature.

L’interaction détectée de petites suppressions fréquentes et de grandes duplications rares met à jour la vue de la réduction du génome comme une simple conséquence du biais de suppression à une image plus nuancée qui prend en compte les extensions transitoires.

L’activité élevée a entraîné des variantes structurelles et l’émergence de transposons composites, illuminant les voies évolutives potentielles pour l’ISS et les transposons composites.

Les résultats fournissent une référence remarquable pour étudier les effets de fitness des insertions, les changements de taille du génome et les réarrangements dans les futures expériences de laboratoire.

“De façon inattendue, notre étude a également mis en lumière l’évolution des transposons eux-mêmes”, a fait remarquer Kanai. “Ces éléments génétiques mobiles sont bien connus pour façonner les génomes bactériens, mais leur propre comportement évolutif a reçu peu d’attention et mérite clairement plus d’étude.”

Excité par les possibilités futures, Kanai a déclaré: “Maintenant que nous avons montré qu’il est possible d’accélérer l’évolution du génome dans le laboratoire, nous sommes impatients d’appliquer ce système à des questions plus larges. Par exemple, dans quelles conditions la coopération évolue-t-elle, soit entre les bactéries ou entre les bactéries et leurs hôtes?”

Pour Kanai, ces réponses font partie d’un rêve à long terme pour comprendre les principes du processus de la nature pour stimuler la complexité biologique.

“J’espère un jour construire et faire évoluer des organismes simples pour découvrir comment la vie devient complexe.