Pour défendre le génome, ces cellules détruisent leur propre ADN | Magazine Quanta

Marie Delattre étudiait les pratiques de reproduction sexuée des vers microscopiques lorsqu'elle remarqua quelque chose d'inattendu. Au microscope, un embryon de nématode Mésorhabdite belari se divisait comme il se doit, passant d'une cellule à deux puis à quatre. Mais à l'intérieur de quelques cellules, elle a vu une inexplicable pulvérisation de fragments d'ADN flottant là où ils n'appartenaient pas.

« Il y avait de l’ADN partout, à l’intérieur et à l’extérieur des noyaux – de gros morceaux d’ADN », a-t-elle déclaré. "Je pensais que c'était un embryon mort."

L’embryon n’était pas mort, mais il faisait quelque chose que seules les cellules mortes font habituellement : détruire son génome. "J'ai commencé à essayer de retracer le moment où ces fragments apparaissent, à quel stade et à quoi ils ressemblent", a déclaré delattre, biologiste cellulaire à l'École Normale Supérieure de Lyon. « C'est comme ça que j'ai compris que ce n'était pas un hasard. Tous les embryons ont fait ça.

Ce sur quoi Delattre était tombée et ce qu'elle et son laboratoire ont décrit dans un article publié en août dans Current Biology, était un exemple d’élimination programmée de l’ADN (PDE), dans laquelle les organismes semblent éliminer délibérément des parties de leur génome. Il s'agit d'un phénomène étrange qui va à l'encontre du précepte selon lequel le génome est une ressource vitale et sacro-sainte qui doit être transmise fidèlement à la génération suivante.

Jusqu'à présent, les chercheurs ont identifié la PDE chez seulement une centaine d'espèces environ dans toutes les branches de la vie : les ciliés unicellulaires dotés de plusieurs noyaux font la PDE ; il en va de même pour les minuscules vers, ainsi que les parasites intestinaux de plusieurs mètres de long des chevaux, de nombreux insectes et même des oiseaux chanteurs. Mais la PDE peut être si difficile à repérer que personne ne sait à quel point elle est réellement courante. "Ce n'est pas très connu, même parmi les biologistes", a déclaré Delattre.

En plus de confirmer l'existence d'un autre cas de PDE, le nouvel article de Delattre suggère également une explication. La PDE met en évidence une lutte de longue durée entre des cellules et des séquences d'ADN qui ne sont d'aucune utilité pour leur propriétaire, voire qui l'alourdissent. Comme les jardiniers, les cellules doivent protéger leur génome pour rester fonctionnelles et productives. Que doit faire une cellule lorsque les mauvaises herbes arrivent ? La nouvelle étude suggère que certaines espèces, comme M. belari, pourrait simplement arracher les mauvaises herbes en utilisant PDE.

Malgré son apparente nouveauté, la PDE a été découverte aux débuts de la biologie moléculaire, bien avant que les chercheurs ne sachent que l'ADN est le matériel génétique de la vie. En 1887, le biologiste allemand Theodor Boveri étudiait le développement de Parascaris, un nématode qui parasite les chevaux, lorsqu'il a vu son gros génome fusionner, se fragmenter puis se réassembler en portions plus petites lors de la mitose. Les pièces manquantes ont apparemment été saccagées sans cérémonie.

Au cours du 20e siècle, les chercheurs n’ont découvert qu’une poignée d’autres organismes – ciliés, papillons nocturnes, copépodes, bandicoots – capables de réaliser de la PDE, et cela est resté un concept marginal. Mais pourquoi l’une de ces espèces a-t-elle fait cela reste incertaine.

Pour comprendre ce qui se passait, le laboratoire de Delattre a examiné l'ADN d'un ver adulte. Les chercheurs ont comparé les génomes de M. belariLes cellules germinales du ver – les cellules reproductrices spécialisées comme les spermatozoïdes et les ovules – avec les génomes des cellules somatiques (non reproductrices) du ver. Il manquait aux génomes somatiques de longues chaînes de séquences présentes dans les génomes germinaux. Entre la croissance de l'embryon de sept cellules à 32 cellules, d'énormes morceaux d'ADN avaient disparu.

Les scientifiques ont ensuite observé le développement des embryons de nématodes au microscope. Au fur et à mesure que les cellules grandissaient et répliquaient leur génome, elles décomposaient 20 chromosomes en fragments, puis les réassemblaient en 40 chromosomes miniatures. La plupart des fragments ont été réintégrés dans ce nouveau génome plus petit, mais une fraction substantielle a été laissée de côté.

Au total, le nématode a supprimé un tiers de son génome. Les séquences supprimées n'ont pas été sélectionnées au hasard. Il y avait un schéma : il s’agissait pour la plupart de segments d’ADN très répétitifs qui ne codaient pas du tout pour les gènes, a découvert Delattre.

Des séquences similaires de séquences répétitives ou non codantes contiennent les génomes des cellules eucaryotes. Certains remplissent des fonctions nécessaires. L'ADN satellite, par exemple, forme des structures telles que l'hétérochromatine et les centromères qui emballent l'ADN, tandis que d'autres sections répétitives régulent l'expression des gènes. Cependant, certaines séquences répétées ne contribuent pas à la survie de leur hôte, voire la gênent.

Ce groupe comprend les transposons, des séquences d'ADN auto-réplicatives qui volent la machinerie cellulaire pour se copier par milliers ou par millions. Cela équivaut à un grand larcin moléculaire, ainsi qu’à une perte de temps et d’énergie que la cellule doit consacrer à la suppression de ces séquences. Les cellules freinent régulièrement les transposons avec des marques épigénétiques qui les font taire, ou en interceptant et en détruisant leur ARN. Mais certaines espèces, comme M. belari, peut les supprimer entièrement via PDE.

C'est ce que Delattre soupçonne ses nématodes. Jonathan Wells, un généticien évolutionniste de l'Université Cornell qui étudie les transposons et n'a pas participé à la nouvelle étude, convient que les parasites à ADN sont une cible probable. Pour la gestion des transposons, « plus on regarde, plus il y a de systèmes », dit-il.

Cependant, les transposons et autres types d’ADN auto-réplicant ne sont pas nécessairement des méchants. En se copiant de manière répétée à travers le génome, les transposons fournissent également à la cellule matière fraîche qui peut muter et évoluer vers de nouveaux gènes. Cellules hôtes librement et généreusement prendre des séquences génétiques à partir de l'ADN parasitaire et les fabriquer une partie du génome normal - ou, pour voir les choses autrement, les parasites s'attirent suffisamment les bonnes grâces de leurs hôtes pour être adoptés. "[Les éléments répétitifs de l'ADN] sont le sol dans lequel se trouvent tous les autres gènes", a déclaré Wells. «Ils sont une riche source de nouveauté.»

Étant donné que les transposons peuvent être à la fois nocifs et utiles, la PDE pourrait avoir d’autres utilisations que leur lutte. Même Delattre n’est pas convaincu que les transposons représentent toute l’histoire. Bien que l'ADN répétitif qui M. belari supprimé était nocif, « pourquoi voudriez-vous vous débarrasser de [l’ADN parasitaire] uniquement dans les cellules somatiques et non dans la lignée germinale ? elle a demandé.

En plus de lutter contre les parasites, la PDE peut aider les cellules à rationaliser leur génome à mesure qu’elles progressent à travers les différentes étapes de leur vie. De nombreux gènes essentiels au développement embryonnaire d’un organisme sont inutiles à maturité. Si une cellule peut se débarrasser de ces gènes, pourquoi ne le ferait-elle pas par souci d’efficacité ? Un génome plus grand est plus difficile à copier et à maintenir, et une expression inappropriée des gènes du développement pourrait causer des problèmes. Dans les cellules somatiques, qui n’ont pas besoin de transmettre un génome complet à leur progéniture comme le font les cellules germinales, la suppression des éléments non essentiels pourrait être une stratégie évolutive gagnante.

Personne ne sait avec certitude pourquoi la PDE se produit. Puisqu'il est sous-étudié et contredit de nombreux concepts génétiques profondément ancrés (un papier, décrivant comment certains oiseaux chanteurs éliminent un chromosome entier, appelé ces délétions « cauchemars mendéliens »), presque toutes les hypothèses pourraient tenir la route.

Raison de plus pour les biologistes d'élargir leurs recherches, estime Delattre : "S'il existe chez d'autres espèces que nous ne connaissons pas, il faut le rechercher." En comprenant mieux qui utilise la PDE, les scientifiques peuvent mieux comprendre pourquoi certains organismes prendraient des mesures aussi drastiques et potentiellement risquées pour gérer leur génome. "Je pense qu'il y a fort à parier que la PDE est plus répandue que nous le pensons", a déclaré Wells.