La modification, à l'échelle du génome, de l'utilisation des bases des acides nucléiques n'a apparemment évolué dans aucune des cellules vivantes connues, probablement en raison d'une barrière chimique que la biodiversité naturelle ne peut pas franchir.
Pour parvenir à un changement important de la composition de l'ADN au niveau du génome, nous avons mis au point une expérience destinée à construire des souches de E. coli dont la biosynthèse de la thymine de l'ADN canonique était bloquée et à mettre ces souches en culture en présence de concentrations croissantes de l'homologue non naturel de la thymine, le 5-cholorouracile. L'évolution de la souche au cours du processus de culture, menée au sein du dispositif de culture automatisée GM3 au Genoscope, a conduit à obtenir des cellules montrant des niveaux de substitution de la thymine par le 5 chlorouracile atteignant les 99%. Ce changement dans la composition de base de l'ADN était parfaitement compatible avec la prolifération des cellules.
Le séquençage du génome de différentes lignées dépendantes du 5 chlorouracile et la comparaison de leurs modèles de mutation révèle des caractéristiques communes: un nombre élevé de mutations ponctuelles par génome (entre 120 et plus de 1500 ont été détectées, 35 % d'entre eux étant silencieuses). Cela suggère un effet mutagène direct de l'homologue de la thymine, le 5 chlorouracile, plus probablement par mésappariement avec la guanine. De plus, plusieurs mutations ont été trouvées dans les gènes impliqués dans les mécanismes de réparation de l'ADN. Au moins certains d'entre eux sont susceptibles d'entraîner l'inactivation de la protéine correspondante et ont probablement contribué au taux élevé de mutation. Ceci pourrait également expliquer les différences drastiques observées dans les profils de mutation pour les différentes lignées analysées.
Très peu de gènes ont mutés dans les différentes lignées obtenues. Cependant, les mutations étaient très fréquentes dans certaines classes de gènes codant pour des protéines fonctionnellement liées. Ces mécanismes impliquent des enzymes actives dans la correction des mésappariements de bases, des enzymes du métabolisme de l'acide nucléique (polymérases, hélicases) et plusieurs régulateurs transcriptionnels.
Des expériences sont actuellement menées afin d'explorer le mécanisme d'adaptation cellulaire à une base artificielle dans l'ADN. D'autres procédés de culture à long terme ont permis la sélection de mutants dépendants du 5-chlorouracile montrant une altération de la croissance en présence de thymine naturelle, ce qui laisse entrevoir la possibilité que les descendants pourraient être éliminés, la thymine étant devenue pour eux un composé xénobiotique.
Références:
Marlière,
P., Patrouix, J., Döring, V., Herdewijn, P., Tricot, S., Cruveiller, S.,
Bouzon, M. & Mutzel, R. 2011 Chemical evolution of a Bacterium’s
Genome, Angewandte Chemie International Edition, 50: 7109-7114