De la même manière que les pièces de Lego peuvent être organisées de nouvelles manières pour construire une variété de structures, les éléments génétiques peuvent être mélangés et assortis pour créer de nouveaux gènes, selon de nouvelles recherches.



Un mécanisme proposé depuis longtemps pour créer des gènes, appelé réarrangement d’exon, fonctionne en mélangeant des blocs fonctionnels de séquences d’ADN dans de nouveaux gènes qui expriment des protéines.

Une étude, « Recurrent Evolution of Vertebrate Transcription Elements by Transposase Capture », publiée le 19 février dans Science, étudie comment des éléments génétiques appelés transposons, ou « gènes sautants », sont ajoutés au mélange au cours de l’évolution pour assembler de nouveaux gènes par mélange d’exons.



Transposons, découverts pour la première fois dans les années 1940 par Barbara McClintock ’23, M.A. ’25, Ph.D., alun de Cornell et lauréate du prix Nobel. 27, sont des composants abondants des génomes – ils constituent la moitié de l’ADN humain – et ont la capacité de sauter et de se répliquer égoïstement dans le génome. Certains transposons contiennent leurs propres gènes qui codent pour des enzymes appelées protéines de transposase, qui coupent et collent du matériel génétique d’un emplacement chromosomique à un autre.

L’étude, qui s’est concentrée sur les tétrapodes (vertébrés à quatre membres), est importante vehicle elle montre que les transposons représentent une pressure importante dans la création de nouveaux gènes au cours de l’évolution. Le travail explique également comment sont nés les gènes essentiels au développement humain.

« Nous pensons qu’il est très probable que ce mécanisme puisse s’étendre au-delà des vertébrés et pourrait être davantage un mécanisme fondamental qui se produit également chez les non-vertébrés », a déclaré la première auteur Rachel Cosby, Ph.D. ’19, chercheur postdoctoral aux Nationwide Institutes of Overall health. Cosby est un ancien étudiant diplômé du laboratoire de l’auteur principal Cedric Feschotte, professeur au Département de biologie moléculaire et de génétique du Collège d’agriculture et des sciences de la vie.

« Vous installez les briques d’une manière différente et vous construisez une toute nouvelle chose », a déclaré Feschotte. « Nous examinons la problem de savoir remark les gènes sont nés. L’originalité est que nous examinons le rôle des transposons dans la création de protéines avec une fonction nouvelle dans l’évolution. »

Dans l’étude, les chercheurs ont d’abord exploité des bases de données existantes pour les génomes de tétrapodes, car les génomes de as well as de 500 espèces ont été entièrement séquencés. Cosby et ses collègues ont recherché des combinaisons de séquences d’ADN connues pour être caractéristiques des transposons fusionnés à des séquences hôtes pour trouver de bons candidats à l’étude. Ils ont ensuite choisi des gènes qui ont évolué relativement récemment – il y a des dizaines de millions d’années – afin de retracer l’histoire du développement du gène à travers l’arbre de vie des vertébrés.

Bien que les gènes fusionnés avec ces transposases soient relativement rares, les chercheurs les ont trouvés partout dans l’arbre de vie des vertébrés. Les chercheurs ont identifié as well as de 100 gènes distincts fusionnés avec des transposases nées au cours des 350 hundreds of thousands d’années le long de différentes lignées d’espèces, y compris des gènes chez les oiseaux, les reptiles, les grenouilles, les chauves-souris et les koalas, et un whole de 44 gènes nés de cette façon dans le génome humain.

Cosby et ses collègues ont sélectionné quatre gènes récemment évolués et ont réalisé un substantial éventail d’expériences en lifestyle cellulaire pour comprendre leurs fonctions. Ils ont découvert que les protéines dérivées de ces gènes sont capables de se lier à des séquences d’ADN spécifiques et de désactiver l’expression génique. Ces gènes sont connus sous le nom de facteurs de transcription et agissent comme des gènes maîtres régulateurs pour le développement et la physiologie de base. Un de ces gènes, PAX6, est bien étudié, joue un rôle clé en tant que régulateur principal dans la formation des yeux chez tous les animaux et est hautement conservé tout au extended de l’évolution.

« Si vous mettez un gène PAX6 d’une souris dans une drosophile [fruit fly], cela fonctionne « , a déclaré Feschotte. Bien que d’autres aient proposé auparavant que PAX6 soit dérivé d’une fusion de transposase, les chercheurs de cette étude ont validé davantage l’hypothèse.

Cosby et ses collègues ont isolé l’un de ces gènes récemment évolués chez les chauves-souris, appelé KRABINER, puis ont utilisé la technologie d’édition de gènes CRISPR pour le supprimer du génome de la chauve-souris et voir quels gènes étaient affectés, avant de le rajouter. L’expérience a révélé que lorsque KRABINER a été retiré, des centaines de gènes ont été dérégulés et, lorsqu’ils l’ont restauré, le fonctionnement ordinary est revenu. La protéine exprimée par le gène KRABINER s’est liée à d’autres transposons apparentés dans le génome de la chauve-souris, a déclaré Cosby.

« L’expérience a révélé qu’elle contrôle un vaste réseau d’autres gènes câblés à travers la dispersion passée de transposons apparentés dans tout le génome de la chauve-souris – créant non seulement un gène, mais ce que l’on appelle un réseau de régulation génétique », a déclaré Feschotte.

Les membres actuels et anciens du laboratoire Feschotte Julius Judd, Ruiling Zhang ’20, Alan Zhong ’19, Nathaniel Garry ’21 et la collaboratrice Ellen Pritham sont co-auteurs de l’article.

L’étude a été financée par les Nationwide Institutes of Health.