Des scientifiques de l’Université de San Diego ont retracé l’origine d’une protéine unique considérée comme la clé de la vision des vertébrés, semblable à celle d’une caméra, en remontant 500 millions d’années jusqu’à des sources bactériennes étrangères.
Une nouvelle découverte révèle que les vertébrés ont acquis une protéine unique à partir de bactéries il y a plus d’un demi-milliard d’années.
L’homme et les autres organismes porteurs de colonne vertébrale possèdent une merveille de l’évolution : des yeux qui fonctionnent comme des appareils photo, offrant un système visuel finement réglé. Charles Darwin a reconnu que la complexité de l’œil était un obstacle potentiel important à sa théorie de la sélection naturelle par étapes progressives de l’évolution.
La distinction des capacités visuelles entre les vertébrés et les invertébrés peut être attribuée à une protéine distincte. Cette protéine est responsable de la spécialisation des cellules qui jouent un rôle vital dans la vision. Des mutations de cette protéine, appelée « protéine de la vision », sont à l’origine de diverses maladies telles que la rétinite pigmentaire, mais son origine évolutive est restée insaisissable, sans précurseur génétique évident.
Schéma du cycle visuel des vertébrés mettant en évidence la séparation physique de la détection de la lumière. Crédit : Laboratoire Daugherty, UC San Diego
Des scientifiques de l’école des sciences biologiques de l’université de Californie à San Diego, dont les travaux sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, ont remonté l’origine de l’IRBP des vertébrés, vieille de 500 millions d’années, jusqu’à une source bactérienne. Cette découverte, réalisée à l’aide de méthodes de reconstruction phylogénétique, a été rendue possible par le nombre croissant de génomes entièrement détaillés aujourd’hui disponibles. Leur analyse de plus de 900 génomes de l’arbre de la vie a révélé que l’intégration de l’IRBP dans les yeux des vertébrés n’était pas le résultat d’un transfert vertical de gènes traditionnel, dans lequel une avancée évolutive est adaptée ou « bricolée » à l’aide du matériel génétique disponible. L’IRBP a plutôt été acquise, dupliquée et intégrée par transfert horizontal de gènes à partir de gènes bactériens étrangers.
« Il s’agit d’un changement radical, car c’est un matériel génétique entièrement nouveau qui a été introduit à partir d’une bactérie », a déclaré Matt Daugherty, professeur agrégé de sciences biologiques et auteur principal de l’article. Chinmay Kalluraya, ancien étudiant de premier cycle de l’université de San Diego, a dirigé l’étude, et Alexander Weitzel et Brian Tsu, étudiants diplômés de l’université de San Diego, ont contribué à l’expertise informatique. « Cette étude montre qu’une innovation majeure qui distingue les yeux des vertébrés de tous les autres yeux n’est pas le fruit d’un bricolage moléculaire, mais plutôt d’un grand bond en avant de l’innovation génétique.
Les chercheurs ont comparé la structure de l’IRBP des vertébrés (en bleu) avec la structure prédite d’un gène similaire chez les bactéries. Crédit : Daugherty Lab, UC San Diego
Une fois que le gène clé qui allait devenir l’IRBP a été acquis chez les bactéries, une nouvelle porte s’est ouverte chez les vertébrés, permettant aux rétinoïdes, molécules de l’œil qui détectent directement la lumière, de faire la navette entre les types de cellules afin de les recycler efficacement en vue d’une nouvelle détection de la lumière. Cette séparation de la photoréception, ou détection de la lumière, et du recyclage des rétinoïdes confère aux vertébrés une fonctionnalité unique et leur permet de voir.
« Pour voir dans différentes longueurs d’onde, il faut qu’il y ait suffisamment de lumière autour, et c’est l’un des arguments qui expliquent pourquoi nous voyons très bien dans l’obscurité – nous avons ce système de recyclage enzymatique que beaucoup d’invertébrés ne semblent pas avoir », a déclaré Daugherty, chercheur au département de biologie moléculaire. « Les yeux sont diversifiés et compliqués, et c’est grâce à ce système que nous avons emprunté cette voie.
À mesure que les génomes d’un plus grand nombre d’organismes deviennent disponibles, les chercheurs pensent que d’autres fonctions et systèmes essentiels trouveront également leur origine dans les bactéries.
« Cela redéfinit la façon dont nous pensons à l’évolution et à la façon dont nous pensons aux structures complexes qui semblent avoir émergé de nulle part », a déclaré M. Daugherty.
Référence : « Bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye » par Chinmay A. Kalluraya, Alexander J. Weitzel, Brian V. Tsu et Matthew D. Daugherty, 10 avril 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2214815120
L’étude a été financée par les National Institutes of Health, Pew Biomedical Scholars, le Burroughs Wellcome Fund Investigators in the Pathogenesis of Infectious Disease, l’Institut de science des données Halıcıoğlu de UC San Diego, UC San Diego Triton Research, et Experimental Learning Scholars.
Outre Kalluraya, lauréate du Selma and Robert Silagi Award for Undergraduate Excellence à l’UC San Diego et actuellement étudiante diplômée au MIT, Weitzel, Tsu et Daugherty sont coauteurs de l’article.