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L'espèce humaine condamnée ?

MADISON –L'espèce humaine est indéniablement complexe et fière de l'être. Notre supériorité biologique paraît évidente. Nos fonctions biologiques sont régulées avec une précision extrême et s'adaptent aux variations externes grâce à travers un réseau d'interactions complexes. Contrairement aux autres espèces, nous paraissons doués de volonté propre et d'intelligence, ce qui nous permet d'agir sur l'environnement pour amortir les effets de la diminution de nos forces.

Néanmoins nous sommes peut-être une espèce condamnée, précisément en raison de la manière dont s'est élaborée notre complexité. Pour paraphraser l'écrivain scientifique Philip Ball, il semble que la nature ait déclenché une bombe à retardement et que notre complexité soit un stratagème efficace seulement à court terme.

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Pour appréhender le problème, nous devons analyser la manière dont les êtres humains sont constitués au niveau moléculaire et comparer cette constitution à celle d'autres espèces souvent considérées comme "rudimentaires", tels les organismes unicellulaires. Cela nous conduit à examiner les protéines (les briques qui construisent nos cellules et exécutent les fonctions biologiques) de toutes les espèces vivantes, aussi différentes soient-elles les unes des autres. Les protéines orthologues (celles que l'on retrouve chez différentes espèces, mais qui ont toutes un ancêtre commun) constituent une base solide de comparaison.

On admet généralement que le repliement d'une protéine sur elle-même doit se conserver d'une espèce à l'autre, car il y a une correspondance étroite entre structure et fonction. On s'attend à ce que les protéines qui ont la même fonction au sein d'espèces très différentes – c'est généralement le cas avec les protéines orthologues – se replient de la même manière.

Par contre, la séquence d'acides aminés qui forment les chaînes de protéines orthologues varie considérablement d'une espèce à l'autre. Parfois ces séquences ne sont identiques que dans une proportion de 25 à 30%, alors que leur repliement est étonnamment similaire, ce qui atteste de la résistance de cette fonction au changement évolutionnaire.

La conservation du repliement protéique à travers les espèces rend l'origine de notre complexité d'autant plus surprenante, car le nombre de gènes humains est réduit, à peine un ordre de grandeur supérieur à celui du riz par exemple, ce qui est trompeur. Si la structure des protéines se conserve à travers les espèces, d'où vient notre complexité ? Ou plus précisément, en quoi sommes-nous plus complexes que les autres espèces ?

Nous avons récemment découvert de subtiles variations structurelles parmi des protéines orthologues d'espèces qui ont divergé il y a des millions d'années. C'est quelque chose de plus ténu que la topologie globale qui différencie leurs structures. Certaines semblent moins "compactes" que d'autres, moins bien repliées sur elles-mêmes, avec des régions de surface permettant à l'eau qui les entoure de pénétrer et d'altérer leur structure en interagissant avec leur squelette. Les portions de protéines qui présentent cette vulnérabilité structurelle sont appelées déhydrons.

Parmi les protéines orthologues, ce sont celles des espèces qui ont la plus faible population qui sont le plus dégradées ou riches en déhydrons – autrement dit, plus les protéines d'une espèce sont riches en déhydrons, plus leur population est restreinte et plus complexe est leur organisme, ainsi que la complexité de leur reproduction. Ainsi la population humaine (et plus généralement celle des mammifères) est significativement plus petite (par plus d'une dizaine d'ordre de grandeur) que celle des bactéries.

Le fait que la dégradation structurelle traduise l'exposition des espèces à la dérive génétique a des conséquences en matière d'évolution, car la sélection naturelle est moins efficace pour les populations de taille réduite. Cette dégradation est donc un indicateur de l'exposition d'une espèce à la dérive génétique (un processus aléatoire) : la probabilité d'une mutation néfaste qui dégrade la structure d'une protéine est plus grande pour l'espèce humaine que pour les bactéries qui se comptent en milliers de milliards d'individus.

Une protéine plus riche en déhydrons qu'une autre protéine orthologue est plus vulnérable à des perturbations provoquées par l'eau environnante. Précisément pour cette raison, elle a besoin de s'associer à d'autres protéines pour maintenir son intégrité structurelle. Par ailleurs les déhydrons tendent à s'agglomérer, c'est pourquoi les protéines dont la structure est altérée s'associent plus facilement que les protéines orthologues comportant moins de déhydrons. Autrement dit, les interactions protéine-protéine, une marque de la complexité, sont favorisées par la dérive génétique, la force en faveur de l'évolution derrière le processus de dégradation des protéines.

Il semble donc que la complexité ne résulte pas de la sélection naturelle, mais d'une solution à court terme pour pallier à son inefficacité. A première vue cette affirmation est contre-intuitive, mais ce paradoxe tient à notre dogmatisme, car l'on s'attend à ce que la complexité soit issue de la sélection naturelle.

Où ce stratagème de la nature nous conduit-il ? Les protéines qui accumulent le plus grand nombre de défauts structurels sont les prions, des protéines solubles tellement mal repliées qu'elles abandonnent leur structure fonctionnelle efficace pour former des agrégats anormaux qui peuvent provoquer des neuropathies dégénératives.

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Ce cas extrême d'une protéine qui recherche anormalement à s'associer à d'autres illustre le risque génétique élevé auquel nous sommes exposés du fait de notre petit nombre. Le prion constitue une catastrophe en terme d'évolution qui montre vers quoi ce stratagème de la nature peut conduire l'humanité. Peut-être le coût à long terme de notre complexité en matière d'évolution est-il trop élevé ? La survie de notre espèce pourrait dépendre de notre capacité à y faire face en cherchant des solutions thérapeutiques de plus en plus sophistiquées. Espérons que nous y réussirons.

Ariel Fernandez est chercheur émérite à l'Institut Morgridge à Madison dans le Wisconsin.