La complexité est un obstacle au gène horizontal tr

La reconnaissance du phénomène connu sous le nom de transfert horizontal (ou latéral) de gènes (HGT/LGT) a révolutionné notre compréhension des mécanismes évolutifs. Contrairement à la transmission verticale conventionnelle des gènes du parent à la progéniture, HGT implique l’échange de matériel génétique latéralement, à travers les frontières des espèces. Ce processus est un contributeur majeur à l’évolution microbienne, représentant 10 à 20% des gènes codant pour les protéines dans la plupart des génomes bactériens, tandis que le HGT est moins répandu chez les eucaryotes. Grâce à HGT, les bactéries et les archées peuvent acquérir de nouveaux traits, allant de la résistance aux antibiotiques aux capacités métaboliques, ce qui améliore leur capacité à s’adapter à des environnements changeants. Dans une nouvelle étude de Biologie et évolution du génome intitulé “Preuve empirique que la complexité limite le transfert horizontal de gènes», des chercheurs de l’Université de Caroline du Nord, dirigés par Christina Burch et Corbin Jones, ont étudié les facteurs qui influencent la capacité des gènes individuels à être transférés dans une nouvelle souche bactérienne réceptrice via HGT. Leur étude révèle que la transférabilité d’un gène est affectée par plusieurs facteurs, notamment sa divergence de séquence par rapport au receveur et le nombre de partenaires d’interaction de la protéine résultante (c’est-à-dire sa connectivité). De plus, la divergence et la connectivité d’un gène interagissent pour influencer davantage sa transférabilité.

Alors que des études antérieures ont observé une relation entre la transférabilité des gènes et la connectivité des protéines, les scientifiques se sont interrogés sur le mécanisme sous-jacent à ce lien. Deux hypothèses potentielles ont été suggérées : l’hypothèse d’équilibre et l’hypothèse de complexité. L’hypothèse de l’équilibre suggère que les gènes nouvellement transférés peuvent entraîner une dérégulation des gènes en perturbant l’équilibre entre les protéines exprimées, tandis que l’hypothèse de la complexité propose que les gènes nouvellement transférés peuvent ne pas s’engager dans des interactions protéine-protéine normales. Surtout, bien que la divergence entre les souches donneuses et receveuses ne devrait pas affecter le premier processus, on s’attend à ce qu’elle ait un impact sur le second, car des protéines plus divergentes sont plus susceptibles de subir un échec d’interaction protéine-protéine. Ainsi, la tendance de la divergence à amplifier l’effet de la connectivité sur la transférabilité peut être utilisée pour distinguer ces deux hypothèses.

Pour démêler l’impact de ces mécanismes sur HGT, Burch et ses collègues ont réanalysé les anciennes données d’une nouvelle manière. Certains des premiers génomes bactériens et archéens ont été séquencés à l’aide d’une méthode dans laquelle le génome d’intérêt a été fragmenté et chaque fragment a été incorporé sur un plasmide bactérien (un petit morceau d’ADN circulaire). Les plasmides ont ensuite été clonés dans Escherichia coli, qui reproduirait et générerait plus de copies des plasmides pour le séquençage et l’assemblage ultérieurs du fusil de chasse. Il y a plus de quinze ans, en une étude publiée dans Science, Rotem Sorek et ses collègues ont reconnu que ces bibliothèques pourraient être utilisées pour évaluer la transférabilité des gènes via HGT ; ils ont découvert que certains gènes étaient “inclonables”, c’est-à-dire qu’ils ne pouvaient pas être transférés sur un plasmide du microbe hôte à E. coli. Burch et ses co-auteurs ont utilisé un ensemble de données similaire comprenant 70 bactéries et 4 archées, mais ont effectué une analyse quantitative de la transférabilité, en utilisant la couverture de séquençage comme proxy pour indiquer la facilité avec laquelle chaque gène a été transféré dans E. coli.

Initialement, Burch et ses collaborateurs ont remarqué des biais importants dans les données, la longueur et la position d’un gène affectant sa couverture. Selon Burch, « La toute première chose que nous avons remarquée était que la couverture de lecture était considérablement plus élevée à l’origine de la réplication du génome qu’à l’extrémité dans certaines des bibliothèques de fusils de chasse. Bien sûr, cela a du sens si vous savez que les bactéries en croissance active initient de nombreuses fourches de réplication à l’origine. Avec cette connaissance de la physiologie bactérienne en main, nous avons pu déduire que certaines des bibliothèques de fusils de chasse ont été créées à l’aide de génomes isolés à partir de cellules en croissance active, tandis que d’autres ont été créées à l’aide de génomes isolés à partir de cellules qui ne se développaient pas activement. Bien que cet aspect particulier de la physiologie bactérienne n’ait pas été pertinent pour la question à laquelle nous voulions répondre, notre capacité à voir son effet sur les données de la bibliothèque de fusils de chasse m’a rassuré à un stade précoce sur le fait que les signaux biologiques que nous souhaitions étudier pourraient également être détectables. ” En d’autres termes, ces données suggèrent que les chercheurs auraient le pouvoir de détecter des modèles parmi les variables qui influencent HGT.

Après avoir corrigé les biais liés à la physiologie bactérienne (c’est-à-dire l’initiation fréquente de la réplication dans les cellules en croissance active), les auteurs ont étudié la relation entre la transférabilité des gènes (telle qu’estimée par la couverture du séquençage) et plusieurs facteurs susceptibles d’affecter le HGT, notamment la fonction des gènes, la connectivité des protéines. , la divergence entre les espèces donneuses et E. coliet le niveau d’expression du gène natif dans E. coli. Surtout, ils ont trouvé une interaction significative entre la divergence et la connectivité, soutenant l’hypothèse de complexité et suggérant que la capacité d’un gène transféré à s’engager dans des interactions protéine-protéine normales joue un rôle clé dans le succès ou l’échec du HGT.

En plus de ces résultats, une contribution importante de cette étude a été le développement d’un test statistique capable d’évaluer l’hypothèse de complexité. Burch note: «Avant ce travail, l’hypothèse de complexité n’avait été décrite qu’à l’aide d’arguments verbaux. Je pense que c’était un pas en avant important de traduire l’hypothèse en un test statistique spécifique. Le fait que nous puissions ensuite effectuer le test statistique sur les données génomiques existantes était la cerise sur le gâteau. Nous sommes reconnaissants à l’équipe Sorek d’avoir ouvert la voie.

Une mise en garde de cette analyse est que tous les gènes étudiés se trouvaient sur les plasmides (c’est-à-dire l’ADN extrachromosomique) utilisés pour les transférer dans la cellule réceptrice. Des dynamiques différentes peuvent être observées lorsque des gènes sont transférés directement sur des chromosomes bactériens ou archéens. “En fin de compte, nous aimerions mieux comprendre les conséquences de l’incorporation de gènes transférés dans les génomes receveurs”, déclare Burch. “La technologie moderne de séquençage du génome permet d’étudier cette question à l’aide d’expériences d’évolution microbienne, et quelques-unes ont été réalisées, mais beaucoup plus de données sont nécessaires.” De plus, l’analyse actuelle était nécessairement limitée aux gènes qui étaient déjà présents dans le E. coli génome. « Nous aimerions également mieux comprendre le transfert horizontal de gènes nouveaux ou accessoires qui ne sont pas déjà présents dans les cellules réceptrices », poursuit Burch. “Ces gènes ne sont pas pertinents pour l’hypothèse de complexité, de sorte que l’enquête reste pour les travaux futurs.”

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