Un mécanisme ancestral de l’initiation de la réplication du chromosome bactérien révélé

La charge de l’hélicase réplicative est une étape critique de l’initiation de la réplication des chromosomes. Des chercheurs de l'Institut de biologie intégrative de la cellule montrent que nos connaissances actuelles sur le déroulement de cette étape reposent sur l’utilisation d’opérateurs d’hélicases non représentatifs de la diversité bactérienne. Grâce à une approche phylogénomique combinée à une analyse fonctionnelle dans Pseudomonas aeruginosa, ils identifient et caractérisent l’opérateur d’hélicases ancestral et prédominant dans le domaine bactérien. Cette étude a été publiée le 10 novembre 2016 dans la revue Nature Communications.


Le rythme auquel les réplications des chromosomes sont initiées définit le taux de croissance. C’est un déterminant majeur de la prolifération cellulaire qui justifie l’attention portée aux mécanismes moléculaires et à la régulation de l’initiation de la réplication pendant le cycle cellulaire dans les trois domaines du vivant (bactéries, archées et eucaryotes).
Chez les organismes modèles bactériens classiques, le chargement de l’hélicase réplicative nécessite un opérateur de type DnaC (chez E. coli) ou DnaI (chez B. subtilis) pour initier la réplication. Jean-Luc Ferat et ses collaborateurs montrent que la distribution des opérateurs de type dnaC/I dans le domaine bactérien est restreinte à quelques phyla seulement, indiquant que ce type d’opérateur n’est pas représentatif du domaine bactérien. Les chercheurs mettent en évidence que ces opérateurs ont été acquis à 7 reprises, au moins, au cours de l’évolution par transfert horizontal puis domestication de gènes d’origine phagique et par la perte subséquente ou simultanée d’un gène qu'ils identifient, dciA (dnaC/I Antecedent). L’analyse phylogénomique de dciA enracine ce gène à l’origine du domaine bactérien et montre que là où il n’a pas été supplanté par dnaC/I, il a persisté (Figure 1). Ainsi, La plupart des bactéries, y compris de nombreux pathogènes (Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Yersinia pestis, Mycobactyerium tuberculosis, Helicobacter pylori, …), dépendent d’un système entièrement nouveau pour charger et activer l’hélicase réplicative pendant l’initiation de la réplication.

Les chercheurs démontrent que la protéine DciA de P. aeruginosa interagit spécifiquement avec son hélicase réplicative homologue, DnaB, et possède toutes les caractéristiques d’un opérateur d’hélicase réplicatives : la suppression de DciA conduit à un blocage spécifique de l’initiation de la réplication. L’identification récente de DciA, la caractérisation de sa fonction pendant l’initiation de la réplication et son implication vraisemblable entre la charge et l’activation de l’hélicase réplicative (Figure 2), conduisent à remettre en cause le modèle actuel de gestion de l’hélicase réplicative pendant l’initiation de la réplication bactérienne.

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Première expérience métagénomique « 3D » sur un microbiome naturel complexe
 
La complexité des communautés microbiennes fait qu’il est difficile de caractériser les génomes des espèces qui les composent, ainsi que d’en suivre la dynamique au cours du temps. L’équipe de Romain Koszul du département Génomes et Génétique de l’Institut Pasteur, vient de démontrer que l’analyse des collisions physiques entre molécules d’ADN d’une population microbienne résout plusieurs des limitations techniques actuelles, permettant notamment d’identifier les hôtes bactériens de phages et plasmides de la population. Ces travaux ont été publiés le 17 février 2017 dans la revue Science Advances.

Le microbiote intestinal est un élément essentiel de l’écosystème de notre corps. La dynamique, l’équilibre et les effets des communautés microbiennes sont fortement influencés par les phages (les virus bactériens) présents dans la population. C’est pourquoi l’étude des relations bactérie-phage est importante pour comprendre ces écosystèmes dans toute leur complexité, et notamment comment ils évoluent au cours du temps.
 
La métagénomique est la discipline qui permet l’étude du métagénome, ou l’ensemble des fragments d’ADN issus de populations de microorganismes comme le microbiote. Les limitations dans les techniques de séquençage font qu’il est difficile, d’une part, de caractériser les génomes bactériens et viraux complets à partir d’un mélange complexe d’espèces, et d’autre part, lorsqu’on parvient à déterminer des séquences d’ADN de phages présentes dans une population de bactéries, d’attribuer les séquences de phages à leurs hôtes bactériens. Pour lever ces freins, l’équipe de Romain Koszul a utilisé une nouvelle approche de métagénomique, dite meta3C (3C pour capture de conformation de chromosome), une méthode expérimentale et computationnelle qui exploite les contacts physiques entre les molécules d’ADN pour en déduire la proximité. Lors d’un précédent travail, la technique avait été validée sur des populations bactériennes contrôlées et connues. Dans cette étude, une population microbienne de composition inconnue a été analysée. Le principe repose sur la quantification des contacts entre molécules d’ADN dans la population. Grace à un agent fixatif, les structures 3D de tous les ADN sont gelées, et les fréquences de contacts entre ceux-ci mesurées par séquençage haut debit. Une carte de contacts entre tous les fragments d’ADN de la population est ainsi générée, à partir de laquelle on peut reconstituer, grâce a des algorithmes développés dans le laboratoire, les génomes des différentes bactéries et des phages de la population, et ce en une seule expérience. Puis, en analysant les contacts entre ces génomes, l’équipe est capable d’en déduire quels phages sont en contact avec quelles bactéries…
 
Une des prouesses de cette étude est de démontrer l’efficacité de la méthode sur un échantillon naturel complexe : le microbiote intestinal de souris. A partir d’une selle de souris, les contacts entre près de 400000 petits fragments d’ADN microbien ont été caractérisés, à partir desquels plus d’une centaine de génomes bactériens et viraux ont été reconstitués. Et les contacts physiques entre ces génomes ont été identifiés.
 
Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour dresser un tableau complet de la structure génomique de la flore intestinale, avec identification de nouveaux phages et leur spectres d’infection, c’est-à-dire leur capacité a infecter une ou plusieurs bactéries. Ce type d’analyse du microbiote a des implications importantes en santé humaine, en ouvrant la possibilité d’étudier la dynamique de ces écosystèmes. On peut étudier, par exemple, comment des gènes de résistance aux antibiotiques se propagent dans des populations microbiennes complexes dans différentes conditions.
 
Les travaux de l’équipe de Romain Koszul s’inscrivent dans cette perspective car elle fait désormais partie d’un consortium européen qui rassemble les efforts de recherche en matière de résistance aux antimicrobiens, la Joint Programming Initiative on Antimicrobial Resistance (JPI AMR), et va appliquer cette méthode sur des échantillons humains hospitaliers et d’autres issus de l’agroalimentaire. Les analyses fourniront des informations précieuses sur l’adaptation et l’évolution des espèces présentes dans l’écosystème microbien.
 

Figure : Avec l’approche de métagénomique dite meta3C (3C pour capture de conformation de chromosome), une carte de contacts entre tous les fragments d’ADN microbiens est établie. Des analyses computationnelles permettent de reconstituer les génomes des différentes bactéries (larges groupes de contigs faisant beaucoup de contacts entre eux) et des phages (qui correspondent a des petits groupes de fragments d'ADN) et d’en déduire quels phages sont en contact avec quelles bactéries… par exemple, l'ADN de la bactérie 1 est en contact avec l'ADN du phage I, ce qui suggère que cette bactérie est l’hôte de ce phage. Les bactéries 2 et 3 sont toutes deux en contact avec l'ADN du phage II, ce qui suggère que ce phage peut infecter ces deux espèces.
© Romain Koszul. Martial Marbouty
 

En savoir plus
* Scaffolding bacterial genomes and probing host-virus interactions in gut microbiome by proximity ligation (chromosome capture) assay.
Marbouty M, Baudry L, Cournac A, Koszul R.
Sci Adv. 2017 Feb 17;3(2):e1602105. doi: 10.1126/sciadv.1602105.
 



 Contact chercheur
* Romain Koszul

Régulation spatiale des génomes 
CNRS UMR 3525, Institut Pasteur
Département de Génomes et Génétique
28 rue du Dr. Roux
75724 Paris Cedex 15 
                   
01 40 61 33 25

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Le métabolisme énergétique des eucaryotes a-t-il été mis en place par des pathogènes intracellulaires ?

Des chercheurs de l’université de Lille, de l’université Heinrich Heine (Allemagne)et de l’université Rutgers (USA) proposent un mécanisme unique qui aurait permis aux ancêtres des eucaryotes d’acquérir les organites principaux, mitochondrie et chloroplaste, qui caractérisent leur métabolisme énergétique. L’originalité de la proposition consiste en la révélation du rôle majeur joué par des ancêtres des bactéries pathogènes intracellulaires obligatoires dans l’acquisition de la respiration et de la photosynthèse. Cette hypothèse est publiée dans la revue Science.

Voici deux milliards d’années, l’apparition des cellules complexes appelées eucaryotes parce que contenant un noyau et un système de compartimentation interne élaborée,  marque un tournant dans l’évolution des formes de vie terrestre. Avant cette innovation la Terre était peuplée de formes unicellulaires « procaryotes » appartenant à deux catégories appelées aujourd’hui bactéries et archées.
L’origine du domaine eucaryote du vivant, à partir des deux domaines procaryotes archéens et bactériens préexistants, nourrit d’incessantes controverses et définit une frontière de nos connaissances en Biologie. Il fait peu de doutes pour la majorité des chercheurs, que le domaine eucaryote trouve sa source dans celui des archées, et que la genèse des eucaryotes est indissociable de l’acquisition de la mitochondrie. Cette dernière définit l’organite des eucaryotes qui est responsable de la respiration. Depuis les travaux de Lynn Margulis (1970), il est admis que la mitochondrie soit elle-même dérivée du domaine bactérien et qu’elle ait été internalisée par l’ancêtre « archéen » de la cellule eucaryote. Toutefois le mécanisme de cette internalisation et la manière dont la bactérie a pu initialement se maintenir et survivre aux mécanismes de défense mis en place par l’ancêtre des eucaryotes, sont totalement incompris.
Steven Ball et ses collègues rapprochent les résultats qu’ils ont obtenus récemment dans la compréhension de l’acquisition de la photosynthèse par les eucaryotes de ceux obtenus dans celle de la respiration. Dans leurs études sur les plastes, un faisceau d’arguments relevant de l’inférence phylogénétique et d’expérimentations biochimiques et microbiologiques avaient conduit ces auteurs à proposer un mécanisme moléculaire détaillé par lequel une bactérie photosynthétique libre, appelée cyanobactérie, totalement inadaptée à la vie intracellulaire, aurait été hébergée dans une vésicule appelée « inclusion » en compagnie d’une bactérie pathogène intracellulaire de type Chlamydia (Ball et al., 2013; Facchinelli et al., 2014). Le pathogène aurait protégé le chloroplaste naissant (la cyanobactérie) des défenses antibactériennes de l’eucaryote hôte et aurait fourni les fonctions responsables de l’exportation du carbone photosynthétique et de sa mise à profit par la cellule hôte. Dans leur perspective, S. Ball et ses collègues font état des découvertes récentes faites par des auteurs Suédois et Autrichiens qui ont d’une part mis en évidence un nouveau groupe d’archéens, les Lokiarcheota, peuplant les grands fonds océaniques (Spang et al., 2015), et d’autre part de nouveaux pathogènes intracellulaires de type rickettsiales (Martijn et al., 2015), repoussant l’âge présumé de ces pathogènes que l’on croyait inféodés aux animaux, et que l’on retrouve, à la manière des chlamydia, comme des parasites universels du domaine eucaryote. La découverte des Lokiarcheota a révélé dans leur génome la présence de plus d’une centaine de gènes impliqués chez les eucaryotes dans le trafic des vésicules. Les auteurs en viennent logiquement à proposer que l’endocytose aurait évolué chez les archéens afin de permettre à ces derniers, notoirement anaérobies, de se nourrir par endocytose de macromolécules présentes dans leur environnement. Ce mécanisme polyvalent présente néanmoins l’immense inconvénient d’internaliser des particules grossières voire des cellules entières ouvrant la porte, jusque-là fermée, à la colonisation du cytosol procaryote par d’autres procaryotes. Il s’en est suivi une course aux armements, au cours de laquelle l’ancêtre des eucaryotes a évolué des mécanismes de défense particulièrement efficaces pour parer à ces nouveaux envahisseurs, alors que ces derniers ont, à leur tour, évolué des effecteurs de virulence leur permettant de contourner ces défenses. Certains de ces envahisseurs se sont ainsi spécialisés pour la vie intracellulaire et ont défini les ancêtres des pathogènes intracellulaires de type Rickettsia et Chlamydia infectant de nombreux eucaryotes dont l’homme. Dans leur perspective, Ball et al. passent en revue les résultats les plus récents obtenus concernant la phylogénie des mitochondries et les rapprochent des Rickettsiales (Wang and Wu, 2015). Ils en concluent que les deux évènements majeurs qui caractérisent d’une part l’apparition des premiers eucaryotes consécutivement à l’acquisition de la respiration par les ancêtres archéens, et d’autre part l’acquisition de la photosynthèse par les eucaryotes, ont été déclenchés dans tous les cas par des bactéries pathogènes intracellulaires, improprement baptisées « parasites énergétiques ». Dans le cas des mitochondries, l’organite serait lui-même directement dérivé d’un tel pathogène tandis que dans le cas du chloroplaste, la cyanobactérie ancestrale aurait été assistée par un pathogène qui lui aurait fourni gîte et couvert ainsi que les modalités d’interaction indispensables avec son hôte eucaryote. Les auteurs expliquent la nature indissociable de la mitochondrie du domaine eucaryote par le fait que c’est l’apparition de la prédation par phagocytose qui aurait propulsé l’évolution des eucaryotes. La phagocytose, contrairement à la simple endocytose, aurait, de fait, nécessité l'établissement d’un métabolisme énergétique autorisant un accroissement de la taille et de la mobilité des cellules.
S. G. Ball et al., Plant Cell 25, 7 (2013).
F. Facchinelli, C. Colleoni, S. G. Ball, A. P. M. Weber, Trends Plant Sci. 18, 673 (2013).
Margulis L., Origin of Eukaryotic Cells (Yale University Press, 1970)
J. Martijn et al., ISME J. 46, 1 (2015).
A. Spang et al., Nature 521, 173 (2015).

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L’arbre généalogique des cellules sanguines et immunes s’agrandit 

Leila Perié à l’Institut Curie, en collaboration avec Rob de Boer à l'Université d'Utrecht et Ton Schumacher à l'Institut néerlandais du cancer, révèle que la cellule souche hématopoïétique, la « mère » de toutes les cellules immunitaires et sanguines, se différencie en cinq types de cellules précurseurs différents, au lieu des deux identifiés jusqu’à présent. Cette étude, qui ouvre des perspectives nouvelles en immunothérapie, est publiée dans la revue Cell.

Chez l’adulte, la production et le renouvellement des cellules sanguines et des cellules impliquées dans les réponses immunitaires s’effectue au cours du processus d’hématopoïèse. Avant de devenir des globules rouges ou des globules blancs, les cellules passent par une série d’étapes de maturation dont le point de départ est la cellule souche hématopoïétique. Progressivement, les cellules acquièrent des spécificités : de multipotentes et pouvant donner tous les types de cellules sanguines ou immunes, elles deviennent des cellules progénitrices au spectre plus restreint en termes de descendance, et ainsi de suite jusqu’à être totalement spécialisées. Jusqu’à présent, il était admis que la cellule souche hématopoïétique se divisait en 2 types de précurseurs seulement, l’un se différenciant en cellules lymphoïdes (lymphocytes T et B, etc.) et l’autre principalement en globules rouges et en certains globules blancs, les cellules myéloïdes (macrophages, monocytes, éosinophiles, etc.).

Les chercheurs se sont intéressés à la toute première étape de la longue maturation des cellules sanguines et immunes, au moment où se séparent les futurs lymphocytes (T, B, NK) de tous les autres types de cellules sanguines. L’utilisation d’une technique originale d’étiquetage s’apparentant à un code-barres, leur a permis de suivre le devenir d’une cellule individuelle. A leur grande surprise, ils ont observé que la cellule souche hématopoïétique engendre en fait 4 à 5 cellules progénitrices différentes. Certaines de ces progénitrices peuvent engendrer des globules rouges et des cellules myéloïdes, d’autres uniquement des cellules myéloïdes, d’autres des cellules myéloïdes et lymphoïdes ou enfin seulement des cellules lymphoïdes. Le processus de l’hématopoïèse se complique donc, mais il reste encore beaucoup de mécanismes à élucider et en particulier la raison pour laquelle une cellule choisit telle ou telle branche de l’arbre généalogique.

Ces résultats qui remettent en cause les notions jusqu’alors admises concernant le lignage des cellules sanguines et immunitaires, ouvrent des perspectives nouvelles dans le domaine de la transplantation de cellules souches chez les patients qui souffrent de défauts dans la formation des cellules sanguines et aussi en cancérologie. « Alors que l’immunothérapie fait une entrée fulgurante dans la prise en charge des cancers, commente Leila Perié, la compréhension de la genèse des différents types de cellules impliquées dans les réponses immunitaires constitue un préalable important pour aller plus loin, et « détourner » le système immunitaire pour qu’il lutte contre les cellules tumorales. ». D’autres pans de la cancérologie pourraient aussi bénéficier de ces recherches car à ce jour l’origine de certains cancers du sang est encore mal connue.

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