Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region

La vie à l'intérieur d'une cellule dépend d'un flux de matériaux constant et organisé. Pour maintenir ce mouvement, les cellules utilisent de minuscules machines faites de protéines pour s'agripper à la peau externe de la cellule, la tirer vers l'intérieur et former une bulle qui transporte la cargaison là où elle est nécessaire. Ce processus, connu sous le nom d'endocytose, nécessite un ensemble spécifique de protéines pour agir comme des pionnières, arrivant les premières pour marquer l'endroit et recruter le reste de l'équipe. Pendant longtemps, les scientifiques ont cru que les instructions sur le fonctionnement de ces protéines étaient écrites dans leurs formes rigides et repliées. Cependant, un corpus croissant de recherches a montré que de nombreuses protéines contiennent de longues sections molles qui ne se replient pas du tout en une forme fixe. On les appelle des régions intrinsèquement désordonnées. Bien qu'elles manquent de structure permanente, elles ne sont pas inutiles ; au contraire, elles agissent comme des connecteurs flexibles qui permettent aux protéines d'interagir avec de nombreux partenaires différents. La grande question restée sans réponse est de savoir comment ces sections molles et informes peuvent soudainement acquérir un nouveau travail spécifique au cours de l'évolution sans perdre les capacités qu'elles possédaient déjà.

Deux protéines, nommées FCHO1 et FCHO2, offrent une fenêtre claire sur ce mystère. Elles sont cousines, nées de la duplication d'un gène ancien, et servent toutes deux de pionnières pour le même processus cellulaire. Malgré leur histoire commune et leur conception globale similaire, elles accomplissent des tâches distinctes et ne peuvent pas prendre la place l'une de l'autre. Si l'une manque, l'autre ne peut pas assumer ses fonctions. Les chercheurs ont cherché à comprendre pourquoi ces deux protéines presque identiques se comportent si différemment. En utilisant une technique appelée spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, qui permet aux scientifiques d'observer le mouvement des atomes dans une protéine, ils ont découvert que la différence réside dans un changement spécifique et fugace au sein des sections molles. Alors que la région désordonnée de FCHO2 reste complètement informe, la région correspondante de FCHO1 adopte occasionnellement une forme de spirale serrée appelée hélice. Cette spirale n'est pas permanente ; elle se forme et se dissout rapidement, mais elle est assez stable pour être détectée et étudiée.

L'étude a révélé que cette spirale temporaire est la clé du comportement unique de la protéine. Dans FCHO1, l'hélice agit comme un aimant qui provoque l'adhérence des protéines entre elles, les poussant à s'assembler en plus grands amas à l'intérieur de la cellule. FCHO2 ne possède pas cette hélice et, par conséquent, ne s'agglutine pas de la même manière. Pour prouver que cette petite caractéristique structurelle était la seule cause de la différence, les chercheurs ont réalisé une expérience précise. Ils ont pris le code génétique de l'hélice de FCHO1 et l'ont inséré dans FCHO2. Cet ajout simple a suffi à transformer FCHO2, lui donnant la capacité de coller à elle-même et de former les mêmes assemblages cellulaires que sa cousine. Cette découverte démontre qu'une nouvelle fonction peut émerger simplement par le fait qu'une région désordonnée acquière la capacité de former une structure transitoire, transformant un segment flexible en un module fonctionnel qui peut être transféré entre les protéines.

L'analyse évolutive a montré que cette capacité hélicale n'existait pas dans l'ancêtre original de ces protéines. Elle n'est apparue qu'après la duplication du gène, et au fil du temps, la tendance à former cette forme est devenue plus forte et plus fiable. Remarquablement, alors même que FCHO1 acquérait cette nouvelle capacité, elle conservait la fonction originale des deux protéines : la capacité de se lier à la membrane cellulaire. La région qui formait la nouvelle hélice remplissait toujours son ancien travail de fixation à la surface, prouvant qu'une protéine peut évoluer vers un nouveau comportement sans abandonner ses anciennes fonctions. Ce travail fournit un mécanisme clair de la manière dont la nature peut spécialiser des protéines qui partent de points identiques. En ajoutant une petite structure temporaire à une région flexible, l'évolution peut créer un nouvel outil pour la cellule tout en préservant les fonctions essentielles qui maintiennent l'organisme en vie.