Les protéases à sérine

Evolution divergente
Evolution convergente

L'étude pratique (exao) a mis en évidence la spécificité des protéases chymotrypsine, trypsine et élastase. L'étude des structures tridimensionnelles a permis d'établir les relations qui existent entre structure et fonction pour chaque enzyme. Ainsi, il est établi que les 3 protéases ont une structure 3D globale très proche et utilisent le même mécanisme catalytique avec à la base l'intervention de la même triade de résidus ac.aminés, leur spécificité étant liée à la présence dans le site actif d'une poche dont la conformation diffère pour chacune d'entre elles. Comment peut-on expliquer l'existence de protéines avec de telles similitudes, dans des espèces différentes, dans une espèce donnée? Comment les différences apparaissent-elles?

Chymotrypsine, trypsine et élastase: une famille de protéines homologues
-Les similitudes structurales et fonctionnelles relevées chez les 3 protéases suggèrent des similitudes importantes au niveau de leur séquence primaire. Il est donc intéressant de comparer ces séquences par alignement.
On peut se demander si ces protéines existent aussi chez les procaryotes, chez les végétaux....Une recherche permet de charger la séquence d'une trypsine bactérienne, celle d'une trypsine de champignon....qui peuvent ainsi être intégrées à l'étude comparative.Voir alignement.
-L'alignement avec discontinuité de 10 séquences montre que environ 10% des acides aminés sont invariants. La matrice des distances indique un % de différences maximal de 69 % entre une trypsine bactérienne et une trypsine humaine et seulement 10% de différences entre une élastase porcine et une élastase humaine.
Les molécules de trypsine de chymotrypsine et d'élastase, qu'elles soient bactériennes, fongiques ou animales, sont homologues. Les gènes qui les codent sont issus d'un gène ancestral commun très ancien puisqu'une trypsine existe déjà chez certains procaryotes.

Une évolution divergente à l'origine de la famille multigénique
Pour proposer un modèle explicatif qui puisse rendre compte de l'existence de cette famille multigénique, il faut partir du gène ancestral hypothétique et envisager des duplications avec, à chaque fois, une différenciation indépendante de chaque duplicata due à la survenue, au hasard, de mutations différentes dans chaque copie, la sélection naturelle ne retenant que celles qui confèrent aux individus un avantage sélectif ou celles qui correspondent à des substitutions conservatrices.
Ainsi, à partir d'un gène codant pour une trypsine, après duplication, l'évolution peut conduire à un gène qui code une trypsine un peu différente mais avec conservation de la triade catalytique et à un autre gène qui code une chymotrypsine, avec conservation de la structure tertiaire et de la triade mais changements au niveau de la poche. Plus la duplication est ancienne, plus la divergence entre les gènes issus de cette duplication est importante et plus il y aura de différences dans les protéines codées. Il est intéressant de noter que l'évolution conserve mieux la structure tertiaire que la structure primaire.
Voir duplications déduites d'une étude réalisée chez l'homme.

Un même mécanisme catalytique pour d'autres protéases: une évolution convergente
-La subtilisine est une protéase bactérienne qui catalyse comme la trypsine, la chymotrypsine et l'élastase l'hydrolyse de la liaison peptidique. De nombreuses données fonctionnelles concernant cette endopeptidase montrent qu'elle utilise la même stratégie catalytique que les 3 autres avec notamment intervention de la même triade catalytique Asp-His-Ser. Les données structurales révèlent par contre une structure tertiaire très différente de celle des 3 autres protéases. La comparaison des structures primaires indique que la subtilisine n'a pas pas la moindre petite portion de séquence en commun avec les 3 autres enzymes. La subtilisine ne peut être considérée comme homologue des 3 autres protéases, elle fait partie d'un autre famille de protéases à serine. Par quels processus, l'évolution conduit-elle à partir de 2 gènes ancestraux différents à des gènes qui codent des protéines certes différentes sur le plan structural mais très proches fonctionellement?
- 2 gènes au départ très différents peuvent ,de manière indépendante, par le jeu des mutations et de la sélection naturelle enregistrer des modifications qui leur permettent alors de coder des protéines encore très différentes mais qui peuvent présenter certaines similitudes ( par exemple une triade de résidus ac. aminés Asp-His-Ser) leur conférant la possibilité d'assurer avec efficacité une fonction très proche. C'est une évolution convergente.