Existe-t-il une pression de sélection favorisant le repliement protéique indépendamment de la fonction ?

Details

Supervisors

Soumillion, Patrice

Faculty

Faculté des sciences

Degree label

Master [120] en biochimie et biologie moléculaire et cellulaire

Abstract

Depuis longtemps, la communauté scientifique a déterminé que les protéines évoluent par pression de sélection pour le maintien de la fonction protéique. Il est actuellement envisagé que d’autres pressions de sélections pourraient affecter l’évolution moléculaire des protéines indépendamment de la fonction protéique. Dans la littérature, plusieurs hypothèses concernant l’évolution moléculaire des protéines ont été investiguées in vivo et in silico. Celles-ci s’avèrent bien souvent contradictoires en fonction de la méthodologie adoptée. Une première hypothèse démontre que les protéines seraient sélectionnées au cours du temps par leur structure, leur stabilité, leur fonction… Cependant, les protéines non évoluées ne seraient pas plus sujettes à l’agrégation que les protéines naturelles, même si ce phénomène pourrait s’avérer cytotoxique pour les organismes. Étant donné que ce phénomène d’agrégation peut être cytotoxique, d’autres hypothèses présentent les protéines non-évoluées comme similaires aux protéines naturelles en ce qui concerne la propension à l’agrégation et aux structures secondaires. Néanmoins, elles seraient plus affectées par le phénomène d’agrégation que les protéines naturelles. Des résultats antérieurs, obtenus par l’unité BGM, au sein du LIBST, indiquent qu’il existerait une pression de sélection favorisant les protéines repliées indépendamment de leur fonction. Tout ceci a motivé l’objectif de ce mémoire qui est d’amener des éléments de réponse à la question suivante : « Existe-t-il une pression de sélection favorisant le repliement protéique indépendamment de la fonction ? » Afin d’y répondre, nous avons imaginé deux expériences de compétition de fitness entre des clones de Streptococcus thermophilus qui expriment des protéines au départ d’un locus chromosomique, de sorte à mimer au mieux un contexte d’évolution naturelle. À partir de la première expérience, on souhaite évaluer expérimentalement une possible corrélation entre le fitness d’une bactérie et la stabilité d’une enzyme exogène (DhaA), exprimée dans cette bactérie à partir de son génome à un niveau physiologique et qui n’a, à priori, aucune fonction dans la bactérie. Pour ce faire, nous avons réalisé des expériences de compétition (à 30°C, 37°C et 42°C) entre populations exprimant cinq variants DhaA qui diffèrent par leur thermostabilité. Les résultats obtenus ne sont malheureusement pas reproductibles et semblent indiquer que d’autres évènements génétiques non identifiés affectent cette compétition. Notre hypothèse serait que des mutations ailleurs dans le chromosome détermineraient l’évolution de ces populations au sein de la culture. Il serait intéressant d’investiguer, à l’avenir, les potentielles pressions de sélection et biais expérimentaux qui ont affecté cette première expérience. Dans une seconde expérience, nous souhaitons évaluer une possible corrélation entre le fitness d’une bactérie et la structure d’un petit polypeptide exprimé à un niveau physiologique à partir d’une collection de séquences de 30 résidus aléatoirisées intégrée dans le génome des bactéries. Au cours de ce travail, une banque de séquences peptidiques aléatoirisées a pu être obtenue mais nous n’avons pas eu l’occasion de transformer Streptococcus thermophilus. The scientific community determined that proteins evolve through selection pressure to maintain protein function. Currently, it is envisioned that other selection pressures could affect the molecular evolution of proteins, independently of the protein function. In the literature, several hypotheses concerning the molecular evolution of proteins have been investigated in vivo and in silico. These often prove to be contradictory depending on the methodology adopted. A first hypothesis is that proteins would be selected over time by their structure, stability, function... However, non-evolved proteins would not be more subject to aggregation than natural proteins, although this phenomenon could prove cytotoxic for organisms. Since this aggregation phenomenon may be cytotoxic, other hypotheses present non-evolved proteins as proteins that do not differ from natural proteins in their propensity for aggregation and secondary structures. Nevertheless, they would be more impacted by the aggregation phenomenon than natural proteins. Previous results obtained by the BGM unit at LIBST indicate that there would be a selection pressure favouring folded proteins independently of their function. All this motivated the objective of this Master thesis, which is to answer to the following question: "Is there a selection pressure favouring protein folding independently of function? » To answer this question, we imagined two drift competition experiments between Streptococcus thermophilus clones that express proteins at a chromosomal locus, in order to mimic a natural evolutionary context. From the first experiment, we want to experimentally evaluate a possible correlation between the fitness of a bacterium and the stability of an exogenous enzyme (DhaA), expressed in this bacterium from its genome at a physiological level and which has, a priori, no function in the bacterium. To do this, we performed drift experiments (at 30°C, 37°C and 42°C) between populations expressing five DhaA variants that differ in their thermostability. The results obtained are unfortunately not reproducible and seem to indicate that other unidentified genetic events affect this competition. Our hypothesis would be that mutations elsewhere in the chromosome would determine the evolution of these populations within the culture. It would be interesting to investigate, in the future, the potential selection pressures and experimental biases that affected this first experiment. In a second experiment, we wish to evaluate a possible correlation between the fitness of a bacterium and the structure of a small polypeptide expressed at a physiological level, based on a collection of sequences of 30 randomized residues integrated in the bacterial genome. During this Master thesis, a library of randomized peptide sequences was obtained but we did not have the opportunity to transform Streptococcus thermophilus.