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Une étude intégrant des idées biologiques et de nouveaux outils informatiques a mis en évidence de nouvelles associations entre le codage génétique et la structure des protéines, ce qui pourrait potentiellement changer notre façon de penser la production de protéines dans le ribosome - la "chaîne de montage des protéines" de la cellule. Ces recherches, dirigées par le professeur Alex Bronstein, le docteur Ailie Marx et le doctorant Aviv Rosenberg, ont été publiées dans Nature Communications.

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Les protéines, ces molécules complexes qui jouent un rôle essentiel dans pratiquement tous les mécanismes biologiques, sont produites par les ribosomes dans un processus appelé traduction. Le ribosome décode les "instructions génétiques" entrantes pour synthétiser des chaînes d'acides aminés - les éléments constitutifs des protéines. Lorsque les acides aminés sont liés de manière séquentielle en une longue chaîne, ils se plient en une structure tridimensionnelle unique qui confère à la protéine ses propriétés biologiques et sa fonctionnalité. Des erreurs de traduction peuvent entraîner un mauvais repliement et, par la suite, des troubles physiologiques, légers ou majeurs.

Les instructions de production des protéines sont transmises au ribosome sous forme de codons, des séquences de trois "lettres" issues du code génétique des nucléotides, qui spécifient l'identité et l'ordre des acides aminés à ajouter par le ribosome à la chaîne protéique. Par exemple, le codon UUU signale l'ajout de l'acide aminé phénylalanine, tandis que le codon UAC indique l'ajout de la tyrosine. De cette manière, la séquence de codons code pour la séquence unique d'acides aminés caractéristique de chaque protéine. Cette correspondance entre les codons génétiques et les acides aminés utilisés dans la traduction est commune à tous les êtres vivants de la planète, et est considérée comme un mécanisme primitif.
Comme si tout cela n'était pas assez compliqué, il est important de souligner qu'il existe 61 codons qui sont décodés en seulement 20 acides aminés. En d'autres termes, tous les acides aminés sauf deux sont codés par plusieurs codons.

C'est là que la présente recherche entre en jeu. Sur la base d'expériences menées dans les années 1960 et 1970, le dogme admis veut que les protéines ne gardent aucune "mémoire" du codon spécifique à partir duquel chaque acide aminé a été traduit, tant que l'identité de l'acide aminé reste inchangée. Ces premières expériences sur le repliement des protéines utilisaient des dénaturants chimiques pour déplier des protéines entièrement formées, puis démontraient qu'après le retrait de ces produits chimiques, la chaîne protéique pouvait se replier spontanément pour retrouver sa structure et sa fonction d'origine. Ces expériences suggéraient que seule la séquence des acides aminés, et non la séquence spécifique des codons, détermine la structure d'une protéine. Compte tenu de ce dogme, les mutations qui modifient le codage génétique sans changer l'acide aminé sont largement qualifiées de "silencieuses" et considérées comme sans conséquence pour la structure et la fonction des protéines.

L'équipe de recherche du Technion a découvert une association entre l'identité du codon et la structure locale de la protéine traduite, ce qui suggère que ce n'est peut-être pas le cas général et que les protéines peuvent effectivement "se souvenir" des instructions spécifiques à partir desquelles elles ont été synthétisées. L'équipe de recherche a analysé des milliers de structures protéiques tridimensionnelles à l'aide d'outils dédiés qu'elle a développés et qui intègrent des méthodes informatiques avancées, l'apprentissage automatique et les statistiques. Ils ont ainsi comparé avec précision les distributions des angles formés dans ces structures sous différents codes génétiques synonymes. Leurs résultats montrent que pour certains codons, il existe une dépendance statistique significative entre l'identité du codon et la structure locale de la protéine, à la position de l'acide aminé codé par ce codon.

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Les chercheurs soulignent que les résultats sont encore incapables de mettre en lumière la direction de la relation causale, ce qui signifie qu'il n'est pas encore possible de dire si un changement dans le codage génétique peut entraîner un changement dans la structure locale de la protéine ou si des changements structurels peuvent entraîner un codage différent, par exemple par le biais de processus évolutifs. Cette question constitue le fondement d'une étude ultérieure actuellement menée par le groupe. Selon le Dr Marx, biologiste de formation et d'éducation, "Si nous découvrons lors de recherches ultérieures que le codon a effectivement un effet causal sur le repliement des protéines, cela aura probablement un impact énorme sur notre compréhension du repliement des protéines, ainsi que sur les applications futures, comme l'ingénierie de nouvelles protéines."

Le Dr Ailie Marx a obtenu son B.Sc. dans son pays natal, l'Australie, son M.Sc. et son doctorat au Technion sous la supervision du professeur Noam Adir, et un postdoc en biologie structurelle. Elle est actuellement chercheuse dans le laboratoire du professeur Bronstein.
Aviv Rosenberg a obtenu sa licence à la faculté Viterbi d'ingénierie électrique et informatique du Technion et sa maîtrise à la faculté d'ingénierie biomédicale du Technion. Il est actuellement étudiant en doctorat dans le laboratoire du professeur Bronstein. Ses recherches portent sur la mise en œuvre d'outils d'apprentissage automatique pour une utilisation pratique en médecine et en biologie, notamment la modélisation et l'analyse de la variabilité du rythme cardiaque, la détection des anomalies dans les signaux ECG, les méthodes statistiques et la quantification de l'incertitude et de la fiabilité dans les systèmes d'apprentissage profond dans les applications médicales.
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