Les protéines sont les acteurs clés de pratiquement tous les processus moléculaires au sein de la cellule. Pour remplir leurs diverses fonctions, ils doivent interagir avec d’autres protéines. Ces interactions protéine-protéine sont médiées par des surfaces hautement complémentaires, qui impliquent généralement de nombreux acides aminés qui sont positionnés précisément pour produire un ajustement serré et spécifique entre deux protéines. Cependant, on sait relativement peu de choses sur la façon dont ces interactions sont créées au cours de l’évolution.
La théorie classique de l’évolution suggère que toute nouvelle caractéristique biologique impliquant de nombreux composants (comme les acides aminés qui permettent une interaction entre les protéines) évolue de manière progressive. Selon ce concept, chaque petite amélioration fonctionnelle est motivée par le pouvoir de la sélection naturelle, car il existe un avantage associé à la fonctionnalité. Cependant, la question de savoir si les interactions protéine-protéine suivent également toujours cette trajectoire n’était pas entièrement connue.
En utilisant une approche hautement interdisciplinaire, une équipe internationale dirigée par le chercheur Max Planck Georg Hochberg de la microbiologie terrestre de Marburg a maintenant jeté un nouvel éclairage sur cette question. Leur étude fournit des preuves définitives que des interactions protéine-protéine hautement complémentaires et biologiquement pertinentes peuvent évoluer entièrement par hasard.
Les protéines coopèrent dans un système de photoprotection
L’équipe de recherche a fait sa découverte dans un système biochimique que les microbes utilisent pour s’adapter aux conditions lumineuses stressantes. Les cyanobactéries utilisent la lumière du soleil pour produire leur propre nourriture grâce à la photosynthèse. Étant donné que beaucoup de lumière endommage la cellule, les cyanobactéries ont développé un mécanisme connu sous le nom de photoprotection : si les intensités lumineuses deviennent dangereusement élevées, un capteur d’intensité lumineuse nommé protéine caroténoïde orange (OCP) change de forme. Sous cette forme activée, l’OCP protège la cellule en convertissant l’excès d’énergie lumineuse en chaleur inoffensive. Pour retrouver leur état d’origine, certaines OCP dépendent d’une deuxième protéine : la Fluorescence Recovery Protein (FRP) se lie à l’OCP1 activé et accélère fortement sa récupération.
Notre question était : est-il possible que les surfaces qui permettent à ces deux protéines de former un complexe aient évolué entièrement par accident, plutôt que par sélection naturelle directe ? La difficulté est que le résultat final des deux processus semble le même, de sorte que nous ne pouvons généralement pas dire pourquoi les acides aminés nécessaires à une interaction ont évolué – par sélection naturelle pour l’interaction ou par hasard. Pour les différencier, nous aurions besoin d’une machine à remonter le temps pour être témoin du moment exact de l’histoire où ces mutations se sont produites. »
Georg Hochberg, chercheur Max Planck
Heureusement, les récentes percées en biologie moléculaire et computationnelle ont équipé Georg Hochberg et son équipe d’une sorte de laboratoire de machine à voyager dans le temps : la reconstruction de séquences ancestrales. De plus, le système de protection contre la lumière des cyanobactéries, qui est à l’étude dans le groupe de Thomas Friedrich de la Technische Universität Berlin depuis de nombreuses années, est idéal pour étudier la rencontre évolutive de deux composants protéiques. Les premières cyanobactéries ont acquis les protéines FRP d’une protéobactérie par transfert horizontal de gènes. Cette dernière n’avait elle-même aucune capacité photosynthétique et ne possédait pas la protéine OCP.
Pour comprendre comment l’interaction entre OCP1 et FRP a évolué, l’étudiant diplômé Niklas Steube a déduit les séquences d’anciens OCP et FRP qui existaient il y a des milliards d’années dans le passé, puis les a ressuscités en laboratoire. Après traduction des séquences d’acides aminés en ADN, il les a produites en utilisant E. coli cellules bactériennes afin de pouvoir étudier leurs propriétés moléculaires.
Une heureuse coïncidence
L’équipe de Berlin a ensuite testé si des molécules anciennes pouvaient former une interaction. De cette façon, les scientifiques ont pu retracer comment les deux partenaires protéiques se sont connus. «Étonnamment, le FRP des protéobactéries correspondait déjà à l’OCP ancestral des cyanobactéries, avant même que le transfert de gènes ait eu lieu. La compatibilité mutuelle du FRP et de l’OCP a donc évolué de manière complètement indépendante l’une de l’autre dans différentes espèces, explique Thomas Friedrich. Cela a permis à l’équipe de prouver que leur capacité à interagir devait être un heureux accident : la sélection n’aurait pas pu façonner de manière plausible les surfaces des deux protéines pour permettre une interaction si elles ne s’étaient jamais rencontrées. Cela a finalement prouvé que de telles interactions peuvent évoluer entièrement sans pression sélective directe.
« Cela peut sembler une coïncidence extraordinaire », déclare Niklas Steube. « Imaginez qu’un vaisseau spatial extraterrestre atterrisse sur terre et que nous découvrions qu’il contenait des objets en forme de fiche qui s’intègrent parfaitement dans des prises fabriquées par l’homme. Mais malgré l’improbabilité perçue, de telles coïncidences pourraient être relativement courantes. Mais en fait, les protéines rencontrent souvent un grand nombre de nouveaux partenaires d’interaction potentiels lorsque la localisation ou les modèles d’expression changent dans la cellule, ou lorsque de nouvelles protéines pénètrent dans la cellule par transfert horizontal de gènes. Georg Hochberg ajoute: «Même si seule une petite fraction de ces rencontres finit par être productive, la compatibilité fortuite peut être à la base d’une fraction importante de toutes les interactions que nous voyons à l’intérieur des cellules aujourd’hui. Ainsi, comme dans les partenariats humains, une bonne adéquation évolutive pourrait être le résultat d’une rencontre fortuite de deux partenaires déjà compatibles.
