Comment les cellules de levure reconnaissent les infections génétiques
Des chercheurs de l'ETH découvrent à un endroit surprenant des cellules de levure un nouveau mécanisme grâce auquel les cellules reconnaissent et rendent inoffensif le matériel génétique étranger, qu'il s'agisse d'agents pathogènes ou de contaminations provenant de l'environnement.
Au cours de leur longue histoire, les bactéries ont développé un système immunitaire efficace pour détecter et repousser l'intrusion de matériel génétique étranger, comme celui des virus et autres bactéries. Un élément désormais connu de cette défense immunitaire "innée" des organismes unicellulaires est par exemple le système Crispr/Cas, qui stocke le matériel génétique des envahisseurs afin de pouvoir reconnaître et combattre l'agent pathogène en cas de nouvelle infection.
En revanche, on ne savait pas si les eucaryotes disposaient de mécanismes comparables de défense immunitaire agissant de manière autonome au niveau cellulaire. La recherche supposait certes que de simples cellules eucaryotes pouvaient également avoir de tels mécanismes, mais ne savait pas lesquels. Cela n'a d'ailleurs pas été étudié en détail jusqu'à présent.
Position clé dans la compaction de l'ADN
Or, des chercheurs dirigés par Yves Barral, professeur de biochimie à l'ETH Zurich, ont regardé de plus près - et ont fait des découvertes dans des cellules de levure. Dans ces champignons unicellulaires, ils ont découvert un mécanisme immunitaire jusqu'alors inconnu, qui agit à un endroit surprenant : le centromère des chromosomes. Les scientifiques ont publié leurs découvertes dans le dernier numéro de la revue spécialisée "page externeCell".
Le centromère est l'endroit où les deux parties d'un chromosome, appelées chromatides, sont reliées entre elles. C'est également là que se forme un complexe de protéines appelé kinétochore. Lors de la division cellulaire, l'appareil appelé fuseau s'y arrime pour séparer les deux chromatides, les écarter, laisser une chromatide dans la cellule mère et transporter l'autre dans la cellule fille. Cela permet de garantir une répartition uniforme du matériel génétique entre la cellule mère et la cellule fille.
Barral et ses collègues démontrent maintenant que le centromère occupe une position clé dans la condensation des chromosomes. Il détermine quand et comment un chromosome se condense, en particulier dans son voisinage immédiat. Mais le centromère émet également des signaux moléculaires pour que le chromosome se compacte de manière optimale aux extrémités qui en sont éloignées.
L'ADN étranger manque de centromère
En revanche, le matériel génétique étranger, tel que celui qui est introduit de temps à autre dans une cellule sous forme d'ADN de type viral ou d'anneaux d'ADN, ou les chromosomes sans centromère ne peuvent pas se condenser. Par conséquent, aucun kinétochore ne peut s'y fixer, de sorte que le point d'ancrage des fibres du fuseau fait défaut.
Pendant la division cellulaire, le matériel génétique non condensé est reconnu et activement retenu dans l'une des deux futures cellules filles, que les chercheurs appellent la cellule mère. Ainsi, le matériel génétique étranger reste dans la cellule mère, la cellule fille ne reçoit que du matériel génétique propre à l'espèce, et ce, comme prévu, la moitié de toutes les chromatides.
Dans la cellule mère, la division asymétrique accumule de l'ADN sans valeur pour l'organisme, ce qui la fait vieillir et mourir plus rapidement. Les cellules de levure s'assurent ainsi que le matériel génétique potentiellement nuisible ne reste pas dans la population. Les cellules filles peuvent, par de nombreuses autres divisions, construire une population qui ne contient que de l'ADN éprouvé.
Les centromères évoluent rapidement
Ces dernières années, les chercheurs ont été surpris de constater que les centromères varient considérablement d'une espèce à l'autre. "En fait, on devrait supposer qu'une structure aussi centrale et importante ne change pratiquement pas au cours de l'histoire de l'évolution et devrait donc être très similaire chez toutes les espèces", explique Barral.
L'équipe de recherche de l'ETH fournit maintenant une explication possible : "La raison de l'évolution rapide des centromères pourrait être la course aux armements entre l'hôte et le pathogène", explique le biochimiste. Les pathogènes apprendraient très vite comment contourner le contrôle que le centromère exerce sur la condensation des chromosomes. Cela pourrait augmenter la pression sur l'organisme hôte pour qu'il modifie continuellement le centromère afin d'empêcher la transmission de matériel génétique étranger.
"Notre découverte que le centromère fait partie de la défense autonome cellulaire contre le matériel génétique étranger à l'espèce pourrait expliquer pourquoi cette zone du chromosome est si différente chez différentes espèces".
Le centromère favorise-t-il l'émergence de nouvelles espèces ?
Ces découvertes pourraient également avoir des conséquences sur l'apparition des espèces. Si une population est par exemple séparée par une barrière géographique, chacune des deux sous-populations pourrait être exposée à des agents pathogènes différents. En conséquence, le centromère se développerait différemment chez les deux.
Si des individus de ces sous-populations se retrouvent après un certain temps, la reproduction pourrait être empêchée en raison des centromères qui ne sont plus compatibles. "Ce n'est qu'une spéculation, mais nous pouvons imaginer que les deux sous-populations ne se reconnaissent plus comme des espèces identiques. Ce mécanisme pourrait donc jouer un rôle important dans la spéciation", suppose Barral.
Lui et son groupe de travail se penchent actuellement sur la levure de fission, une lointaine parente de la levure de boulanger. Les chromosomes de la levure de fission ressemblent à ceux des animaux. Les chercheurs souhaitent découvrir si un tel mécanisme de défense est également présent chez eux au niveau cellulaire. Barral recherche en outre des virus qui attaquent les champignons. "On ne trouve rien à ce sujet dans la littérature. Mais comme les levures sont des champignons et qu'elles disposent du mécanisme immunitaire que je viens de décrire, je suppose que les virus s'attaquent aussi aux champignons et y introduisent leur substance génétique". Ce n'est probablement qu'une question de temps avant qu'ils ne trouvent de tels virus.
Barral et ses collègues ont travaillé pendant quatre ans sur la présente étude. L'idée qu'il existe un mécanisme de défense dans les levures leur serait venue pour la première fois il y a dix ans, dans le cadre de l'étude du vieillissement de ces micro-organismes. "Il existe manifestement un lien entre le vieillissement et la défense contre les agents pathogènes", explique le chercheur. Leur ADN, tout comme les protéines superflues, serait également éliminé dans la cellule mère vieillissante. "Ce nouveau travail suggère que différentes pièces du puzzle que nous avons élaborées ces dernières années sont effectivement compatibles".
Référence bibliographique
Kruitwagen T, Chymkowitch P, Denoth-Lippuner A, Enserink J, Barral Y. Centromères Licence de la condensation mitotique des bras chromosomiques de Yeast. Cell (2018), Vol. 175 ; Issue 3. DOI : page externe10.1016/j.cell.2018.09.012