Les gènes Moonlighting hébergent des ORF antisens qui codent pour des protéines membranaires potentielles

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12591 (2023) Citer cet article

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Les gènes Moonlighting codent pour des molécules polypeptidiques uniques qui remplissent des fonctions multiples et souvent sans rapport. Ces gènes sont présents dans tous les domaines de la vie. Leur ubiquité et leur diversité fonctionnelle soulèvent de nombreuses questions quant à leurs origines, leur évolution et leur rôle dans le cycle cellulaire. Dans cette étude, nous présentons une sonde bioinformatique simple qui nous permet de classer les gènes en fonction de leur potentiel de traduction antisens, et nous montrons que cette sonde enrichit, de manière fiable, les gènes au noir dans une variété d'organismes. Nous constatons que les gènes de travail au noir abritent des cadres de lecture ouverts (ORF) antisens putatifs riches en codons pour les acides aminés non polaires. Nous constatons également que les gènes travaillant au noir ont tendance à se localiser avec des gènes impliqués dans la production de la paroi cellulaire, de la membrane cellulaire ou de l'enveloppe cellulaire. Sur la base de ces découvertes et d'autres, nous proposons un modèle dans lequel nous proposons que les produits génétiques du travail au noir sont susceptibles de s'échapper de la cellule par les interstices de la paroi et de la membrane cellulaire, sur les chantiers de construction de parois/membranes ; et nous proposons que les ORF antisens produisent des produits protéiques « collants à la membrane », liant efficacement l’ADN du gène moonlighting à la membrane cellulaire dans les zones poreuses où une construction intensive de paroi cellulaire/membrane cellulaire est en cours. Cela conduit à un potentiel élevé de fuite des protéines au noir vers la surface cellulaire. Les implications évolutives et autres de ces résultats sont discutées.

Les gènes Moonlighting sont des gènes qui codent pour des protéines ayant de multiples fonctions distinctes et souvent sans rapport1. Paradoxalement, ces protéines ont souvent une localisation cytosolique et se trouvent à l'extérieur de la cellule. À notre connaissance, aucun partenaire du système de sécrétion n’a été identifié pour ces protéines. Au cours des 30 années qui ont suivi la découverte du rôle secondaire de la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) à la surface cellulaire des streptocoques pathogènes2, de nombreux autres exemples de travail au noir ont été découverts. De tels exemples incluent des produits géniques ayant des rôles cytosoliques bien connus qui finissent d’une manière ou d’une autre à la surface de la cellule ou sont excrétés dans les milieux de culture. La base de données MoonProt, organisée manuellement, répertorie désormais plus de 300 gènes de ce type, couvrant des organismes hôtes allant des bactéries aux levures, en passant par les protistes, les archéons, les plantes et les mammifères. De nombreuses questions fondamentales restent sans réponse : Comment ces gènes acquièrent-ils de multiples fonctions ? Comment accèdent-ils à l’extérieur de la cellule, en l’absence de partenaires du système de sécrétion ? Pourquoi certaines enzymes métaboliques sont-elles sécrétées alors que d’autres ne le sont pas ? Et comment se fait-il que les mêmes protéines (par exemple GAPDH, énolase, DnaK, GroEL, Ef-Tu, superoxyde dismutase) jouent un rôle de travail au noir chez divers hôtes ? Étant donné que les mêmes protéines se retrouvent souvent dans des rôles de travail au noir dans tous les phylums, il semble probable que le phénomène soit rendu possible par des processus fondamentaux pour toute vie. Il convient de noter que de nombreux gènes impliqués dans le travail au noir sont des gènes anciens et hautement conservés, ce qui indique une fois de plus des processus sous-jacents qui sont fondamentaux, voire primordiaux, dans un certain sens. Dans la présente étude, nous visons une enquête bioinformatique descendante sur les gènes travaillant au noir, dans laquelle nous recherchons des indices de haut niveau ainsi que des causes et des effets pangénomiques.

Une caractéristique clé de la vie cellulaire est l’encapsulation : les cellules ont un intérieur et un extérieur, avec des structures durables séparant les deux. Une façon de voir les choses est que la cellule incarne un gradient d'entropie, avec un environnement aqueux à haute entropie au centre et une enveloppe à faible entropie (c'est-à-dire hautement structurée), englobant une membrane et des composants structurels, à la périphérie. Les composants membranaires de la cellule sont en grande partie composés de protéines contenant des acides aminés non polaires ; alors qu’en revanche, les protéines hydrosolubles (telles que celles présentes au centre de la cellule) ont principalement des acides aminés polaires à leur surface. Le code génétique offre un mécanisme pratique (et universel) pour spécifier les acides aminés polaires et non polaires : une purine en base deux d'un codon garantit pratiquement la sélection d'un acide aminé polaire, tandis qu'une pyrimidine en seconde base tend à garantir une sélection d'acides aminés polaires. acide aminé non polaire. Cela suggère un code génétique primordial qui aurait pu (au moins sans doute) être un code binaire, autorisant des acides aminés polaires ou non polaires, basé sur l'utilisation de purines ou de pyrimidines dans les codons. (Pour une discussion de cette possibilité, voir Trifonov3). Qu’il s’agisse d’ARN ou d’ADN, le matériel génétique primordial peut avoir été simple brin, auquel cas la transcription en ARNm (si elle se produisait) ne pourrait se produire que dans une seule direction, à savoir de manière 3′ vers 5′. Cependant, avec l’arrivée des acides nucléiques double brin, la transcription pourrait se produire dans deux directions. En raison de la complémentarité, un message qui code des acides aminés polaires dans un sens aurait naturellement tendance à coder des acides aminés non polaires dans l’autre sens. Un scénario peut être imaginé dans les premiers jours du matériel génétique double brin, à savoir avant les promoteurs, les répresseurs, les séquences Shine Dalgarno ou d'autres organisations de séquences spécialisées telles que les UTR/régions non codantes : à ce moment-là, la transcription peut avoir s'est produit de manière bidirectionnelle, avec des protéines hydrosolubles produites dans un sens et des protéines riches en acides aminés hydrophobes produites dans l'autre sens, une situation qui conduit tout naturellement à la production de protéines membranaires et à l'encapsulation de protéines hydrophiles au sein des membranes (c'est-à-dire la vie cellulaire) . Le travail au noir est en grande partie une question impliquant « l’intérieur contre l’extérieur ». Par conséquent, il est tout à fait naturel de se demander si les indices de ce phénomène pourraient impliquer des questions liées à l’utilisation d’acides aminés hydrophobes et/ou à la construction de parois et de membranes cellulaires. Nous considérons cette question et d’autres en formulant des techniques bioinformatiques conçues pour découvrir les gènes au noir.