L’étrange comportement de l’octopus des abysses

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Il s’agit d’un petit poulpe presque translucide qui vit à plus de 4500 mètres de profondeur au fond de l’Océan Pacifique. La température dépasse rarement 3 degrés, l’obscurité y est totale et il n’y a que des détritus pour se nourrir. Ce poulpe doit en quelque sorte couver ses oeufs ou plutôt les protéger des éventuels prédateurs mais en raison de la température très basse cette incubation dure plus de 4 années ! Pour survivre, le poulpe qui n’a pas encore de nom scientifique puisqu’il vient d’être découvert au large de l’archipel d’Hawaii, s’aggripe à une éponge morte elle-même fixée sur des nodules riches en manganèse ou du basalte.

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Les tentacules du poulpe sont déployées pour former une sorte de réceptacle pour la trentaine d’oeufs d’environ deux centimètres et demi de diamètre. Lorsque les oeufs ont éclos, le poulpe n’a plus qu’à se laisser mourir après avoir rempli son difficile et douloureux devoir de reproduction …

Source et illustration : Current Biology, doi : 10.1016/j.cub.2016.10.052

L’incroyable histoire du KI-67

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En 1983 des biologistes de l’Université de Kiel en Allemagne injectèrent à des souris des cellules humaines provenant de patients souffrant du lymphome d’Hogkin, une forme de leucémie, et aboutirent à la production d’un anticorps dit monoclonal dirigé contre un antigène dont ils ignoraient la nature. Il apparut par la suite que cet antigène appelé KI-67 du nom du 67e puits d’une plaque de culture en comportant 96 et KI pour Kiel, fut associé très rapidement à la prolifération cellulaire car on ne pouvait le retrouver qu’avec des cellules en cours de multiplication. Cet anticorps, tout naturellement fut utilisé par dépister la présence de cellules cancéreuses. Mais ce n’est que tout récemment que le rôle exact du KI-67 a été élucidé.

Revenons donc au noyau cellulaire des eucaryotes dont nous faisons partie : chacune de nos cellules possède un vrai noyau. Quand les cellules ne se divisent pas, malgré toutes les techniques d’observation mises en oeuvre, on ne sait pas trop comment les 46 chromosomes (2 fois 23) sont organisés et ce qui permet qu’ils puissent être accessibles à tout moment pour l’expression des gènes dont la cellule a besoin. C’est d’ailleurs ce dernier point qui a laissé penser que quand la cellule ne se divisait pas tout était apparemment désorganisé dans le noyau. Mais une telle interprétation n’expliquait pas comment une cellule de peau, plus précisément du derme, pouvait très rapidement réorganiser tous ses chromosomes pour entamer une division. La peau, où le KI-67 est parfaitement détectable puisqu’il s’agit d’un tissu en perpétuelle régénération, devait-elle être alors une exception ?

En utilisant plusieurs techniques de visualisation de manière séquentielle, plusieurs équipes de biologistes de par le monde, en Grande-Bretagne, au Japon et aux USA, ont en association avec les Laboratoires Wellcome élucidé le rôle du KI-67, une monstrueuse protéine de plus de 3000 résidus d’aminoacides qui entoure littéralement l’extérieur de chaque chromosome comme la peau d’un saucisson entoure la chair qui le constitue. En utilisant une modélisation moléculaire particulière et divers moyens de détection à l’aide d’anticorps couplés à des molécules fluorescentes il a pu être possible de montrer qu’en réalité, dans le noyau, tous les chromosomes étaient bien sagement rangés les uns à côté des autres. Outre les histones, intimement liées à l’ADN, et la chromatine, la protéine KI-67 représente plus du tiers de la masse totale protéique du noyau hormis le nucléole et si cette proportion (si on peut dire les choses ainsi) vient à diminuer la cellule devient alors incapable de se diviser.

Le résultat de ces travaux est tout à fait surprenant :

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La première image est une modélisation de l’arrangement des chromosomes dans le noyau avec une vue éclatée de cet arrangement. La barre horizontale représente 5 microns. Les flèches jaunes indiquent les trois chromosomes agrandis ci-dessous :

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Les 46 chromosomes occupent un volume de 176 micron-cube et au tout début de la division cellulaire cette protéine KI-67 sert en quelque sorte de lubrifiant pour que chaque chromosome se sépare des autres, une découverte inattendue qui constitue également une explication de l’accessibilité de la machinerie de l’ARN polymérase pour la synthèse des protéines dont la cellule a besoin. Ces travaux conduisent donc à revoir la perception que l’on avait jusqu’alors de l’organisation du noyau cellulaire, une perspective qui ouvre la voie à des investigations relatives à l’extrême complexité du vivant.

Source et illustrations : http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2016.10.009

L’incroyable histoire de la « petite Pauline »

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Quand une amibe vole des gènes à des bactéries

C’est l’incroyable histoire d’une amibe tout à fait banale qui s’est arrangée pour subvenir elle-même à ses propres besoins. Imaginez un instant que vous incorporiez dans vos gènes ceux qui sont nécessaires pour, comme les plantes, réaliser par photosynthèse la production de sucres en mangeant des épinards. Vous n’aurez qu’à exposer au soleil votre peau devenue verte et le tour sera joué. C’est ce genre de prouesse qu’a réalisé il y a une centaine de millions d’années la petite amibe répondant au charmant nom de Paulinella chromatophora.

Normalement les amibes mangent des trucs plus petits qu’elles, surtout des bactéries, et un jour l’ancêtre de la « petite Pauline » s’est dit qu’après tout si elle pouvait photosynthétiser des sucres ça serait tout bon pour ses finances, pardon, pour son métabolisme. En quelque sorte elle ferait son pain toute seule quand il y a de la lumière …

Un jour, prise d’une grosse fringale, elle a avalé une cyanobactérie qui s’est trouvée pas si mal que ça dans son ventre. La petite Pauline a gardé ce dont elle avait besoin et un peu trop rapidement mangé le reste. Ce qu’elle a préservé s’est vite mis à ressembler à des genres de saucisses vertes, toutes proportions gardées, parce qu’elle avait incorporé les gènes qui servent à effectuer la photosynthèse du sucre et de quelques autres métabolites.

Pour ne pas devenir complètement obèse, c’est-à-dire laisser un peu de place à tous ces nouveaux gènes, un peu par erreur la petite Pauline en a effacé quelques-uns de son propre patrimoine génétique. C’était presque suicidaire mais la petite Pauline, pas très contente de son résultat a alors mangé quelques bactéries et a prélevé dans leur génome ce qui lui manquait pour rester en bonne santé, quelques gènes par ci par là pour que tout fonctionne finalement correctement.

Cette histoire paraît complètement délirante mais c’est pourtant ce qui s’est passé non pas en un jour mais au cours d’une lente évolution pour aboutir à cette amibe assez phénoménale qui a littéralement reconstruit tout son patrimoine génétique en faisant des « emprunts » génétiques à des bactéries.

Cette histoire a été étudiée en détail dans le cadre d’une collaboration entre plusieurs universités nord-américaines et allemandes sous la direction du Docteur Eva Nowack de l’Université de Düsseldorf. Cette étude n’a pas été très facile à réaliser au niveau des ADNs, l’ADN circulaire du plastide ou chromatophore, les choses vertes dans la photo ci-dessus, celui du noyau de l’amibe et des contaminants d’origine bactérienne.

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Il y a eu donc un transfert de gènes en provenance du plastide (on pourrait dire chloroplaste comme pour les plantes) dans le cadre de la symbiose initiale amibe-cyanobactérie (EGT, pour endosymbiotic gene transfer) mais également tout un trafic de gènes dit horizontal (HGT, pour horizontal gene transfer) en provenance d’autres bactéries pour aboutir à la Paulinella actuelle comme l’illustre le schéma ci-dessus tiré de l’article paru dans la revue PNAS. Il est intéressant d’insister sur le fait que cette histoire de la petite Pauline date d’une centaine de millions d’années alors que les premiers plastides photosynthétiques apparurent il y a plus d’un milliard d’années à la suite de symbioses avec des cyanobactéries pour aboutir par exemple aux végétaux que l’on connait aujourd’hui.

Source : PNAS, doi : 10.1073/pnas.1608016112 aimablement communiqué par le Docteur Nowack qui est chaleureusement remerciée ici.

Le coeur commence à battre au 16e jour de la vie …

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Selon une étude réalisée conjointement à Oxford et Londres avec la participation de la Société Wellcome, les premières myofibrilles cardiaques commencent à « battre » dès sept jours et demi après la conception chez la souris, un âge embryonnaire qui correspondrait chez l’homme à 16 jours. Conventionnellement les biologistes ont toujours considéré que le coeur, le premier organe fonctionnel de l’embryon, commençait à travailler chez l’homme aux alentours du 21e jour suivant la conception. On ne connait pratiquement rien des premiers stades de la vie embryonnaire humaine car il est évidemment impossible d’aller « voir » ce qui se passe au risque d’endommager l’embryon. Ce qui est acquis est l’urgence pour l’embryon de s’approvisionner en oxygène et de distribuer cet oxygène et des nutriments dans toute la masse cellulaire embryonnaire quand celle-ci commence à prendre de l’ampleur. Les échanges gazeux et minéraux s’effectuent de manière passive pendant les premiers jours de la vie puis le coeur s’organise progressivement autour de quelques cellules à peu près quand l’embryon s’implante dans l’utérus.

Ensuite, pendant les quelques semaines qui suivent c’est la boite noire totale. L’ébauche cardiaque s’organise vers 16 jours et ce n’est qu’à la troisième semaine qu’apparaissent les premiers vaisseaux sanguins. Mettre en évidence les premières pulsations cardiaques a pu être réalisé en révélant à l’aide de marqueurs fluorescents les récepteurs du calcium au niveau des myofibrilles qui vont progressivement former l’organe cardiaque qui continuera à battre régulièrement tout au long de la vie environ 3 milliards de fois.

Le but de ces travaux était d’arriver à déterminer les facteurs induisant des malformations cardiaques, une situation qui affecte environ une personne sur 200, car il suffit d’un infime dysfonctionnement au cours de ce développement du coeur à partir de quelques cellules pour qu’apparaisse alors une malformation. À regarder le petit film illustrant les premières pulsations cardiaques on ne peut que constater l’admirable organisation de ce proto-organe cardiaque (lien en fin de billet). Le coeur n’est encore qu’une sorte de croissant de cellules qui va se refermer sur lui-même et former des sacs qui deviendront les ventricules et les oreillettes. La barre représente 100 microns et la fluorescence est due à la présence de calcium, un ion métallique nécessaire à la contraction des myofibrilles cardiaques.

Le coeur s’organise et commence à fonctionner quelques jours seulement après l’implantation dans l’utérus et les premières cellules sanguines apparaissent un ou deux jours plus tard. Un tout petit coin du mystère des premiers jours de la vie vient d’être levé …

Source et illustration : http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17113

Lien vidéo : http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17113.011

Nouvelles du Japon : le Docteur Yoshinori Ohsumi nobélisé … enfin !

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Finalement, après trente années d’un travail minutieux et acharné, du grand art, de l’orfèvrerie, le Docteur Yoshinori Ohsumi a été reconnu par le Comité Nobel pour la qualité inégalée de ses travaux sur les lysosomes. J’étais encore étudiant en biologie puis en thèse quand les résultats de son laboratoire du Tokyo Tech bousculèrent les idées reçues sur le fonctionnement des cellules.

Imaginez une cellule vivante, de votre peau, de votre foie ou de vos intestins. Comparez-la à une ville de taille moyenne, disons cent mille habitants. Il lui faut de l’énergie : pour les cellules vivantes ce sont les mitochondries qui s’en chargent en « brûlant » toutes sortes de détritus mais aussi du sucre. Il faut aussi à la ville des égouts, une invention des Romains, et c’est le liquide interstitiel qui joue ce rôle, le grand collecteur d’égout étant la circulation sanguine. Quand les habitants de la ville doivent se débarrasser de ce qu’on appelle dans les communes de la France profonde et pas seulement en France, ça existe aussi dans bien des villes de par le monde, des « encombrants », il faut des équipements spéciaux pour traiter ces détritus d’un type spécial. La cellule vivante a mis au point un système très efficace de recyclage des déchets cellulaires, des protéines, des bouts de membranes, des morceaux d’ARN usagés, enfin, tout ce qu’on trouve dans une benne d’encombrants placée au coin de la rue de la ville. Il s’agit d’un mécanisme dit d’endocytose, des invaginations de membranes sub-cellulaires qui vont emprisonner ces déchets et les soumettre à une sorte de digestion, un peu comme les camions-poubelles enlèvent les ordures laissées le long de la rue pour éventuellement les recycler.

Comme une ville la cellule vivante doit donc faire du nettoyage périodiquement pour éviter de s’intoxiquer avec ses propres déchets et c’est ce qu’a étudié le Docteur Ohsumi durant toute sa carrière. Il n’y a en effet pas seulement les encombrants et les déchets normaux, dirons-nous, mais aussi des trucs toxiques comme les peroxydes, en particulier l’eau oxygénée, le pire des poisons pour la cellule vivante, qui apparaissent surtout quand la cellule commence à fatiguer, si elle manque d’énergie ou de carburant pour survivre. Les lysosomes sont là avec tous leurs enzymes « gloutons » (pour reprendre une expression de marketing des fabricants de lessive) pour faire le ménage. La majeure partie du recyclage des déchets par les lysosomes est brûlé par les mitochondries pour produire de l’énergie (sous forme d’ATP) un peu comme une centrale électrique qui brûle des ordures ménagères, il y en a plusieurs à Paris, et en quelque sorte la cellule vivante a inventé l’écologie et le « renouvelable » bien avant les partis et autres organisations qui se revendiquent de la préservation de l’environnement.

Quand j’étais assis sur les bancs de l’amphithéâtre de la faculté des sciences le professeur n’aurait certainement jamais osé utiliser la comparaison que je viens de mettre en prose mais je trouve cependant qu’elle permet de comprendre un peu ce qui se passe dans une cellule vivante.

Qu’il advienne un dysfonctionnement quelconque et tout se passera alors très mal, tout simplement la mort de la cellule ou pire encore sa transformation en une cellule cancéreuse au cas où l’un des outils de détoxification cellulaire soit défectueux à la suite d’une mutation fortuite … C’est aussi ce qu’a découvert le Docteur Ohsumi, mais c’est une autre histoire.

Illustration : Oshumi dans son laboratoire du Tokyo Tech

Retour sur les tardigrades

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Il y a quelques mois j’avais écrit un billet sur les tardigrades (voir le lien) dans lequel il était fait mention d’une controverse au sujet de leur patrimoine génétique. Inutile de rappeler ici ce qu’est un tardigrade car l’objet de ce présent billet tente de trouver une explication aux propriétés d’extrème résistance de ces animalcules. Une équipe de biologistes de l’Université de Tokyo dirigée par le Docteur Takekazu Kunieda a réalisé le séquençage de l’ADN du tardigrade Ramazzottius varieornatus particulièrement résistant aux radiations ionisantes et à la dessication totale. Afin d’expliquer les mécanismes de résistance remarquables de ces petits acariens ils ont ensuite étudié l’expression des gènes induite par les conditions extrêmes et les résultats obtenus sont tout à fait surprenants.

Le premier résultat global est la séquence finale du génome complet de ce tardigrade qui code pour 19521 gènes. Un peu plus de 50 % de ces gènes présentent des similitudes avec ceux des autres métazoaires et 40 % sont uniques aux tardigrades. Pour le reste il reste encore quelques incertitudes résultant probablement de traces de contaminations à hauteur de seulement 1,8 % et enfin une centaine de gènes effectivement exprimés par le tardigrade sont le résultat d’un transfert horizontal, c’est-à-dire provenant de virus, de champignons ou de bactéries. Il faut garder à l’esprit que le tardigrade vit dans l’eau et se nourrit de détritus. il est donc exposé dans son milieu naturel à toutes sortes de microorganismes.

La partie la plus intéressante de ces travaux de recherche est la présence chez le tardigrade de toute une série d’activités enzymatiques qui le protègent des phénomènes d’oxydation apparaissant lors de la dessication ou à l’exposition aux radiations ionisantes. Les enzymes très présents sont ceux qui détruisent l’eau oxygénée apparaissant lors de la dessication. D’une part le tardigrade dispose de deux fois plus de l’enzyme appelé superoxyde-dismutase qui détruit l’eau oxygénée, un poison mortel pour les cellules, que n’importe quel autre métazoaire, y compris l’homme ! Il possède également plusieurs formes de certains enzymes de réparation de l’ADN ou de la chromatine alors que par exemple chez l’homme ces activités particulières n’existe que sous une seule forme.

Mieux encore, toutes les voies métaboliques de dégradation existant normalement dans les cellules et pouvant faire apparaître de l’eau oxygénée chez les métazoaires, y compris l’homme, sont réduites à leur plus simple expression ou ont totalement disparu chez le tardigrade afin qu’il soit mieux protégé contre le stress dit oxydatif. De plus le tardigrade a mis au point des systèmes qui protègent son équipement en protéines de la coagulation à la chaleur (le tardigrade supporte allègrement des températures de plus de 100 degrés) et de la dénaturation lors de dessication extrême, des protéines uniques dans le monde vivant. Enfin au niveau des mécanismes de protection de l’ADN, le tardigrade exprime à des niveaux records une protéine spéciale qui compacte le complexe ADN-chromatine lors de la multiplication cellulaire, une protéine qui existe aussi chez les cellules embryonaires y compris d’origine humaine et dont le rôle, pour faire bref, est d’éviter à la cellule de faire n’importe quoi lors d’une division. Cette protéine particulière protège l’ADN efficacement lors d’un traitement avec des radiations ionisantes en favorisant l’intervention des activités enzymatiques de réparation de l’ADN.

Pour le tardigrade la nature a admirablement bien fait les choses …

Source : Nature en accès libre, doi : 10.1038/ncomms12808 Illustration (Nature) : tardigrade dans des conditions normales, à droite tardigrade déshydraté. Les traits symbolisent 100 microns.

https://jacqueshenry.wordpress.com/2015/12/14/la-controverse-du-tardigrade/

Spectaculaire résistance aux antibiotiques …

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La bactérie Escherichia coli aussi appelée colibacille mesure environ 2 microns de long et est munie de flagelles pour se déplacer. Elle se divise toutes les 20 minutes et c’est peut-être l’animal de laboratoire le plus étudié et également le plus utilisé dans l’industrie. Elle est cultivée sur des milieux nutritifs semi-solides dans des boites circulaires communément appelées boites de Petri. Ce n’est pas très spectaculaire et les cultures dégagent une odeur fade un peu écoeurante. Pourtant des biologistes de l’Université de Haïfa en Israël ont réalisé une expérience spectaculaire pour mettre en évidence le comportement de cette bactérie quand elle est soumise à des concentrations croissantes d’antibiotiques.

Plutôt que d’utiliser des boites de Petri classiques l’équipe de biologiste dirigée par le Docteur Roy Kishony a construit une immense boite de culture de 120 centimètres de long et de 60 centimètres de large constituée d’une couche de gélose opacifiée avec de l’encre sur laquelle a été étalée la couche de milieu semi-solide comprenant 9 zones dans lesquelles ont été incorporées des quantités croissantes d’antibiotique de zéro à 3000 unités de concentration minimale inhibitrice (MIC). Le processus de croissance des bactéries a été filmé à raison d’un cliché toutes les 10 minutes pendant une douzaine de jours soit environ 16000 générations, un temps d’évolution qui représenterait pour l’homme près de 500000 ans !

Chaque fois que les bactéries ont rencontré un concentration croissante d’antibiotique dans le milieu de culture leur croissance s’est arrêtée puis une bactérie a muté et a poursuivi sa croissance après avoir construit une résistance à l’antibiotique.

De proche en proche l’accumulation de mutations a permis aux bactéries d’envahir la totalité de cette immense boite de culture en s’adaptant au milieu de plus en plus hostile. Cette expérience spectaculaire montrait l’adaptation au trimethoprim avec une souche de coli sensible à cet antibiotique. Voici le lien d’un film réalisé durant près de 12 jours et accéléré 18000 fois : http://science.sciencemag.org/content/sci/suppl/2016/09/07/353.6304.1147.DC1/aag0822s1.mov

Plus intéressant encore, après avoir repéré sur les clichés les endroits où à partir d’une seule bactérie émergeait une nouvelle croissance, il a pu être possible de visualiser en quelque sorte l’arbre phylogénétique conduisant les bactéries à être de plus en plus résistantes à l’antibiotique comme le montre l’illustration ci-après dans laquelle la couleur des points représente le rapport entre le nombre de bactéries mutantes et le nombre de bactéries « sauvages » (wild type, WT), MIC étant la concentration inhibitrice minimale.

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Les biologistes ne se sont pas arrêté là malgré l’aspect spectaculaire de ces travaux. Ils ont analysé les mutations induites par la présence de l’antibiotique. Deux gènes ont subi des mutations, des SNPs, et ces gènes codent pour l’ADN-polymérase, l’enzyme qui sert à copier l’ADN lorsque la bactérie se divise, et un autre enzyme clé du métabolisme appelé dihydrofolate réductase et impliqué en particulier dans la synthèse des constituants de l’ADN.

Juste pour l’anecdote, les bactéries ont parcouru durant cette expérience à l’échelle humaine plus de 80000 kilomètres tout en étant soumises à un environnement de plus en plus hostile et en s’adaptant remarquablement à ce dernier.

Source et illustrations : Science doi : 10.1126/science.aag0822 article aimablement communiqué par le Docteur Kishony vivement remercié ici.