Nouvelles connaissances sur le lien entre les mutations génétiques et l’évolution biologique

Dans l’évolution biologique, nous savons qu’il s’agit de la survie du plus apte : les organismes qui développent des traits génétiques leur permettant de mieux s’adapter à leur environnement physique sont plus susceptibles de prospérer et donc de transmettre leurs gènes gagnants à leur progéniture.

Des pinsons des îles Galapagos à bec plus long étudiés par le biologiste Charles Darwin, qui leur ont permis d’attraper plus efficacement les insectes, à la capacité de certains humains par rapport à d’autres à digérer le lait, le processus de sélection naturelle entraîne des différences génétiques qui donnent à certains organismes un avantage sur autres.

Une nouvelle recherche du professeur adjoint de biologie de l’Université de Toronto à Mississauga, Alex N. Nguyen Ba, ajoute une dimension importante à notre compréhension de la façon dont les gènes interagissent dans le processus évolutif.

Nguyen Ba est le co-investigateur principal d’une étude publiée ce mois-ci dans la revue Science. La première étude du genre montre que différentes combinaisons de mutations génétiques peuvent avoir un impact sur le processus évolutif – une découverte qui pourrait bénéficier à des domaines tels que la médecine personnalisée et la conception de vaccins.

“L’évolution est une force qui anime toute la vie sur cette planète”, déclare Nguyen Ba. “Comprendre ce que nous pouvons prédire sur l’adaptation a été d’un grand intérêt pour de nombreuses personnes dans le domaine.”

L’adaptation peut être comparée à l’escalade d’une montagne. Les chemins empruntés vers les différents sommets possibles sont attribués à des mutations successives, et les irrégularités du terrain peuvent être attribuées aux combinaisons spécifiques de mutations acquises en cours de route. Mais comment les scientifiques peuvent-ils prédire la route vers le sommet de la montagne ?

“Il y a d’énormes implications si nous pouvons comprendre ce qui va se passer dans le futur pour les organismes vivants”, déclare Nguyen Ba.

Au laboratoire annb de l’UTM, Nguyen Ba et son équipe de chercheurs explorent les mutations génétiques dans les cellules et leur impact sur l’évolution à l’aide de technologies de nouvelle génération. Il s’agit notamment de la biologie synthétique à haut débit – conception de nouveaux systèmes biologiques ou modification de systèmes existants à des fins de recherche – et d’un robot de la taille d’un bureau capable de traiter de nombreux échantillons biologiques.

Il a commencé l’étude il y a cinq ans alors qu’il était boursier postdoctoral au Desai Lab de l’Université Harvard. Là, il a collaboré avec Christopher Bakerlee, co-chercheur principal de l’étude.

Ensemble, Nguyen Ba et Bakerlee ont utilisé la technologie d’édition de gènes CRISPR pour modifier les gènes dans les cellules de la levure, qui est couramment utilisée dans la recherche en génie génétique car elle partage certains gènes avec les humains.

Ils ont travaillé avec 10 mutations faux-sens, qui sont des aberrations dans le code ADN qui modifient la production d’acides aminés. Considérés comme les éléments constitutifs de la vie, les acides aminés sont des molécules qui se combinent pour former des protéines, qui conduisent tout, de la cicatrisation des plaies à la fourniture d’énergie en passant par la fabrication d’anticorps.

Le processus d’expérimentation impliquait de tester toutes les combinaisons possibles de ces mutations – 1 024 au total. Les scientifiques ont voulu déterminer comment les interactions entre les gènes affectent l’expression de certains traits génétiques.

Nguyen Ba a terminé la dernière année de l’étude à l’UTM, où il a analysé et interprété les données. L’étude a révélé que l’évolution échantillonne fréquemment des combinaisons de mutations génétiques avec une synergie négative entre elles. Cela agit sur le potentiel évolutif des levures de manière négative, par exemple en ralentissant leur rythme d’adaptation.

Les résultats vont à l’encontre du dogme selon lequel toute adaptation biologique se déroule de manière prévisible en raison d’une loi biologique inconnue. Au lieu de cela, des combinaisons de mutations qui se sont accumulées au fil du temps dictent le futur potentiel évolutif d’un organisme.

De plus, dit-il, cela remet en question l’opinion dominante dans la recherche génétique selon laquelle nous devrions étudier une mutation génétique à la fois. L’examen des mutations en combinaison pourrait nous aider à comprendre les maladies et conduire à une médecine plus précise.

“Nous montrons cela pour que nous ayons une compréhension complète de la façon dont les gènes se comportent réellement”, explique Nguyen Ba. “Les combinaisons de mutations sont susceptibles d’être très importantes.”