19 Jan Du cratère volcanique au laboratoire : une leçon de survie
Des chercheurs de l’Institut Weizmann découvrent comment certains organismes prospèrent à des températures supérieures à 80 °C.
« S’adapter ou périr, aujourd’hui comme hier, est l’impératif inexorable de la nature », écrivait H. G. Wells. Ce principe – selon lequel la survie passe par le changement – a été maîtrisé il y a des milliards d’années par des organismes unicellulaires vivant dans des conditions de chaleur extrême. Au cours des dernières décennies, l’étude des mécanismes d’adaptation de ces organismes a donné naissance à des technologies révolutionnaires, allant de la réplication rapide de l’ADN (PCR) et de la production de protéines résistantes à la chaleur à la fabrication de carburants et de produits chimiques.
(l-r) Dr. Ronit Nir, Dr. Vinithra Iyer, Prof. Moran Shalev-Benami, Dr. Donna Matzov and Prof. Schraga Schwartz
Les plus remarquables de ces organismes sont les hyperthermophiles, qui vivent dans les cratères volcaniques, les cheminées hydrothermales et les sources chaudes, des environnements où les températures dépassent 80 °C. Une nouvelle méthode mise au point par des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences révèle comment les hyperthermophiles modifient les molécules d’ARN au cœur de leur ribosome, l’usine de production de protéines de la cellule, afin de survivre dans des environnements extrêmement chauds. Les résultats du laboratoire du professeur Schraga Schwartz, récemment publiés dans Cell, remettent en question l’hypothèse selon laquelle les processus fondamentaux de la vie sont uniformes entre les espèces et tout au long de la vie. Ces résultats pourraient conduire à l’amélioration des technologies médicales et industrielles basées sur l’ARN et éclairer un mystère de longue date dans le domaine du développement des médicaments.
Le ribosome est l’une des structures biologiques les plus anciennes et les plus fondamentales, commune aux trois domaines du vivant : les archées, les bactéries et les eucaryotes. À la fin des années 1950, des chercheurs ont découvert que les molécules d’ARN ribosomique subissaient une «édition chimique » (modification) après leur production dans la cellule. Cependant, ces modifications étant difficiles à mesurer, on ne savait pas encore dans quelle mesure elles variaient d’une espèce à l’autre ou en fonction des conditions environnementales.
« Jusqu’à récemment, on supposait généralement, principalement sur la base de recherches menées sur la levure et les humains, que la modification de l’ARN dans le ribosome était uniforme chez tous les membres d’une espèce donnée et ne changeait pas en fonction de l’environnement », explique le professeur Schwartz, du Département de Génétique Moléculaire de Weizmann. « Cependant, ces dernières années, des preuves ont émergé chez quelques espèces suggérant que la modification peut parfois être dynamique, permettant à la structure ribosomale de s’adapter à l’environnement. Il était toutefois difficile de confirmer cela à grande échelle en raison du nombre considérable de types de modifications, de la difficulté à les identifier et des limites des méthodes existantes, qui ne permettaient généralement aux chercheurs d’examiner qu’un seul type de modification par échantillon et un seul échantillon à la fois. »
Dr. Miguel A. Garcia-Campos
Le nouveau système, développé dans le laboratoire du professeur Schwartz sous la direction du Dr Miguel A. Garcia-Campos, permet aux scientifiques d’examiner 16 types de modifications sur des dizaines d’échantillons d’ARN, ce qui représente une avancée majeure pour la recherche sur l’édition de l’ARN. À l’aide de ce système, les chercheurs ont cartographié les schémas de modification chez 10 organismes unicellulaires et les ont comparés à quatre espèces précédemment étudiées. Ils ont délibérément donné la priorité aux extrêmophiles, des organismes qui prospèrent dans divers environnements hostiles, dont trois hyperthermophiles, en partant de l’hypothèse que les mécanismes d’adaptation environnementale ribosomale étaient plus susceptibles d’avoir émergé chez ces organismes.
« Alors que la plupart des bactéries et des archées ne présentent que quelques dizaines de modifications de l’ARN ribosomique, nous en avons trouvé des centaines chez les espèces hyperthermophiles », note le professeur Schwartz. « En fait, nous avons constaté que plus l’environnement naturel d’un organisme est chaud, plus son ribosome subit de modifications. »
L’archéobactérie Pyrococcus furiosus, dont le nom signifie « boule de feu furieuse », se sent particulièrement à l’aise à des températures supérieures à 100 °C.
Après avoir observé des différences entre les espèces issues d’environnements différents, les chercheurs se sont demandé si une espèce pouvait rééditer son ARN ribosomique – modifiant ainsi la structure de son ribosome – en réponse aux changements environnementaux au cours de son cycle de vie. Pour le vérifier, ils ont élevé chaque espèce dans trois à cinq conditions différentes. Pour les mésophiles, des micro-organismes qui se développent à des températures modérées, la plupart des modifications étaient permanentes et ne variaient pas en fonction de l’environnement. En revanche, près de la moitié des modifications chez les hyperthermophiles étaient dynamiques, se produisant à plusieurs endroits sur les molécules d’ARN à mesure que la température augmentait. Les chercheurs ont conclu que les changements dans la structure ribosomale sont non seulement possibles, mais constituent également un mécanisme d’adaptation important.
Plus précisément, trois types de modifications se sont avérés devenir systématiquement plus fréquents à mesure que la température augmentait. « Une découverte particulièrement surprenante a été que l’une de ces modifications – l’ajout d’un groupe méthyle, ou méthylation – apparaissait presque toujours chez les espèces hyperthermophiles en association avec une autre modification : l’ajout d’un groupe acétyle, ou acétylation », explique le professeur Schwartz. « Cela suggère que les deux fonctionnent de concert. Nous avons fait équipe avec le groupe du professeur Sebastian Glatt de l’université Jagellonne de Cracovie pour tester la stabilité des molécules d’ARN sans ajout, avec l’une ou l’autre des deux modifications, et avec les deux. La méthylation et l’acétylation avaient toutes deux un effet stabilisateur sur l’ARN, mais lorsqu’elles étaient combinées, l’effet était supérieur à la somme de leurs parties. »
Structure ribosomale de l’archéobactérie P. furiosus. Les zones marquées en orange et jaune indiquent les sites de méthylation dans l’ARN ribosomique. Le nombre de sites de méthylation augmente progressivement avec la hausse de la température ambiante, un mécanisme qui permet au ribosome de maintenir sa stabilité dans des conditions de chaleur extrême.
Ces résultats révèlent un mécanisme sophistiqué par lequel de subtiles modifications chimiques des molécules d’ARN peuvent considérablement améliorer la stabilité du ribosome, lui permettant ainsi de fonctionner dans des environnements changeants. Ils pourraient également aider à expliquer le phénomène connu de longue date du « méthyle magique », à savoir une augmentation inexpliquée de plus de cent fois l’efficacité de certains médicaments après l’ajout d’un groupe méthyle. « Il semble désormais probable qu’au moins certaines modifications le long d’une molécule d’ARN, telles que la méthylation et l’acétylation, n’agissent pas indépendamment et doivent être déchiffrées comme un code combinatoire », explique le professeur Schwartz. « Notre étude de l’ARN ribosomique aide à clarifier l’interaction entre les différentes modifications, et la méthode que nous avons développée pourrait accélérer et élargir l’étude de nombreux types de modifications et de nouvelles espèces. »
« Il existe aujourd’hui sur le marché, ou en cours de développement, de nombreuses technologies basées sur l’ARN allant des vaccins contre les pandémies, en passant par les diagnostics et thérapies contre le cancer, jusqu’aux outils d’édition génétique utilisés en biotechnologie et en médecine », ajoute-t-il. « Le processus naturel d’édition de l’ARN a subi des milliards d’années de perfectionnement basées. La découverte de ses secrets pourrait ouvrir la voie à des nouvelles technologies sur l’ARN, plus fiables et plus efficaces. »
La Science en Chiffres
Dans l’arbre de la vie, il existe plus de 170 types de modifications chimiques que l’ARN peut subir après sa synthèse.
