Utiliser un virus pour parasiter autrui
J-M. Drezen, M. Poirié, Y. Bigot et G. Periquet dans mensuel 296
daté mars 1997 -

De très nombreux insectes, et notamment certaines guêpes, ont développé des stratégies parasitaires élaborées aux dépens d'autres insectes, particulièrement les papillons. Pour contourner la défense immunitaire de leurs hôtes, ils ont mis au point des procédés permettant de manipuler la physiologie de l'hôte. Beaucoup de ces procédés recourent Ñ situation exceptionnelle dans le monde animal Ñ à des virus, dans de véritables symbioses. Le parasitisme prend ainsi une forme à trois étages où seul l'hôte est perdant. Dans certains cas, les gènes des virus se comportent comme des gènes de la guêpe parasite, qu'elle transmet à ses descendants. Il reste à expliquer quels scénarios évolutifs ont pu conduire à ces associations extraordinaires.

Dans le film fantastique Alien de Ridley Scott, les héros sont décimés par des créatures extraterrestres monstrueuses dont les larves détruisent en quelques jours le corps humain. Ce type d'aventure est monnaie courante sur Terre sous forme de relations hôte-parasite agressives, mais fort heureusement elles restent limitées au monde des invertébrés et en particulier à celui des insectes. Parmi ceux-ci, l'ordre des hyménoptères qui compte plus de 300 000 espèces dont les abeilles, les guêpes et les fourmis a particulièrement développé les stratégies parasitaires puisque la moitié des familles qui le constituent comprennent exclusivement des espèces parasites. Comment s'établissent les relations entre les insectes hôtes et les hyménoptères qui les parasitent, et comment évoluent-elles ?

Les hyménoptères « endoparasites » sont des guêpes qui effectuent la totalité de leur développement embryonnaire et larvaire à l'intérieur du corps d'autres insectes, qu'elles utilisent comme réserve de nourriture. Ce type de stratégie a été très productif sur le plan évolutif, puisque plusieurs dizaines de milliers d'espèces sont répertoriées dans ce groupe. Ces espèces parasitent à peu près toutes les familles d'insectes, souvent de manière étroitement spécialisée, c'est-à-dire qu'elles ne parasitent qu'une espèce particulière. Des individus aussi petits que les pucerons ou aussi difficiles à atteindre que les larves d'insectes xylophages vivant à l'intérieur du bois, sont victimes d'hyménoptères endoparasites spécialisés. Cependant, de nombreux hôtes parasités appartiennent à l'ordre des lépidoptères les papillons et les relations entre lépidoptère hôte et hyménoptère parasite sont de loin les plus étudiées.

Pour un endoparasite, le corps de l'hôte constitue un garde-manger qu'il doit maintenir en bon état de conservation jusqu'à la fin de son propre développement. Cependant, il est aussi un environnement hostile. En effet, l'existence chez les insectes d'un système immunitaire complexe ne fait aujourd'hui plus aucun doute1. Les oeufs du parasite doivent donc échapper aux mécanismes de défense de l'hôte et notamment à l' « encapsulation » formation d'une capsule autour de l'oeuf empêchant son développement. Pour parvenir à ce résultat, les hyménoptères endoparasites ont développé des procédés de manipulation de la physiologie de leur hôte. D'un point de vue évolutif, l'originalité de certains de ces procédés est qu'ils font intervenir des particules virales. Nous allons comparer plusieurs exemples de ces relations à trois partenaires, hôte, parasite et virus.
Pour pondre, les guêpes endoparasites utilisent leur tarière, une longue aiguille creuse située à l'extrémité de l'abdomen, qui perce la cuticule de l'hôte sans l'endommager. Les oeufs sont alors expulsés sous pression par le canal interne de l'aiguille et parviennent dans les tissus de l'hôte. Le fluide génital, liquide qui permet notamment l'expulsion des oeufs, est également injecté. Il s'agit d'une sécrétion complexe contenant un cocktail de substances qui jouent un rôle dans la suppression de la réponse immunitaire de l'hôte, la perturbation de son développement et la modification de son comportement2.

Ces substances peuvent être classées en trois catégories suivant leur origine. Elles comprennent des « venins » produits par des glandes qui déversent leur contenu dans le tractus génital, des protéines à action immunosuppressive sécrétées par l'épithélium ovarien, et enfin des virus qui participent à la modification de la physiologie de l'hôte.
La description de l'influence exercée par les différents facteurs provenant du parasite sur la régulation de l'hôte pourrait faire l'objet à elle seule de plusieurs articles. Nous nous limiterons ici à l'aspect le plus original de ces interactions hôte-parasite, le rôle des facteurs viraux. En effet, la présence chez l'hyménoptère de particules virales injectées lors du parasitisme peut prendre la forme d'une asso-ciation guêpe-virus plus ou moins étroite pouvant aller jusqu'à la symbiose. Ces relations guêpe-virus sont le seul exemple connu où l'évolution a conduit à une association symbiotique entre un virus et un organisme eucaryote. La présence de particules virales a été mise en évidence par microscopie électronique dans le tractus génital de nombreuses espèces d'hyménoptères endoparasites ou dans les glandes à venin qui y débouchent. Dans plusieurs cas, il a pu être montré que ces particules se répliquent en fait dans un épithélium spécialisé des ovaires. Les virus identifiés appartiennent à différents groupes et n'induisent généralement pas de pathologie perceptible chez l'hyménoptère3. La présence de virus dans l'appareil génital des hyménoptères femelles trouve probablement son origine dans le comportement de ces dernières. En effet, en piquant leur tarière dans un hôte infecté, pour pondre ou pour s'alimenter, elles peuvent être contaminées et transmettre le virus aux insectes piqués par la suite. Les virus trouvent un avantage à pouvoir se maintenir ou même se multiplier dans le tractus génital des hyménoptères puisqu'ils peuvent ainsi maximiser le nombre d'hôtes infectés.

Il existe une catégorie de virus, les ascovirus virus à ADN, pour laquelle l'utilisation des hyménoptères comme vecteurs constitue probablement la principale voie de transmission dans les populations d'insectes. Ces virus, découverts par le groupe de Brian Federici à l'université de Riverside, en Californie, sont létaux pour les larves des lépidoptères qu'ils infectent. Le virus dissout les tissus de l'insecte en un liquide d'aspect laiteux tout à fait caractéristique de cette pathologie4.
Contrairement à d'autres virus d'insectes, les ascovirus sont peu infectieux par ingestion, ce qui montre que ce n'est pas leur voie naturelle d'infection. Cependant, ils se montrent très infectieux s'ils sont introduits directement dans la chenille à l'aide d'une aiguille préalablement contaminée. Cela suggère que les ascovirus utilisent des insectes piqueurs en tant que principal mode de dissémination dans les populations de papillons. De fait, les chenilles infectées par un ascovirus sont le plus souvent également parasitées par un hyménoptère. Les ascovirus n'induisent pas de pathologie visible chez les guêpes qui leur servent de vecteurs. Par contre, l'infection d'une chenille hôte entraîne indirectement la mort de la larve du parasite. En effet lorsqu'un hyménoptère parasite une chenille, le virus injecté élimine le papillon infecté et, par contrecoup, la descendance du parasite vecteur. Cependant, dans certaines espèces, le parasite a trouvé le moyen de s'accommoder de l'infection virale : le système a évolué vers un état d'association stabilisée.

Il en est ainsi pour l'un des modèles biologiques que nous étudions, une guêpe nommée Diadromus pulchellus qui parasite la chrysalide d'un lépidoptère, la teigne du poireau. Cette guêpe héberge un ascovirus qui est systématiquement injecté dans l'hôte lors de la ponte. Le virus se maintient dans les tissus de l'hyménoptère mais n'y est pas produit en grande quantité. Il ne se montre pas pathogène pour cette espèce. En revanche, après son injection dans la chrysalide hôte, l'ascovirus entraîne la Iyse destruction des cellules de ses différents tissus. La caractéristique intéressante de ce modèle est la suivante : lorsque le virus est injecté avec l'oeuf du parasite, la Iyse des tissus de la chrysalide se produit beaucoup plus lentement que si le virus est introduit seul, à l'aide d'une aiguille contaminée. Ce délai permet à la larve du parasite de consommer les tissus de l'hôte avant leur désagrégation totale et d'achever ainsi son développement. L'ascovirus élimine donc l'hôte mais non la descendance de l'hyménoptère vecteur. Ces observations montrent que Diadromus pulchellus a développé, au cours de l'évolution, des mécanismes permettant de ralentir le cycle du virus dans l'hôte. Il peut ainsi utiliser à son profit la lyse des tissus de l'hôte induite par l'ascovirus. De son côté, l'ascovirus n'est pas perdant. Il a en effet avantage à être véhiculé par la guêpe pour infecter le plus grand nombre de chrysalides possibles. De fait, tous les individus des populations de Diadromus hébergent des ascovirus. La modification de la durée du cycle viral dans la chrysalide de papillon parasité est donc due à des mécanismes qui ont pu être sélectionnés chez la guêpe pour permettre son développement larvaire dans l'hôte en présence de l'infection virale, mais également chez le virus lui-même pour éviter la disparition de la population d'hyménoptères vecteurs.

Cette association Diadromus ascovirus pourrait en fait être plus étroite qu'il n'y paraît. Comme cela a été décrit pour d'autres systèmes biologiques, la présence du virus pourrait également permettre à la guêpe de contourner les défenses immunitaires de l'hôte en perturbant sa physiologie par le biais de l'infection. Cependant, il est difficile de tester l'existence de cet avantage conféré à la guêpe par l'ascovirus car le génome viral Ñ une molécule d'ADN circulaire de 150 kilobases Ñ se trouve dans toutes les cellules des guêpes des deux sexes et l'on ne peut donc évaluer le succès parasitaire en l'absence de virus. En conclusion, nous observons ici une étape importante dans l'évolution de l'association virus-hyménoptère mais il est clair que l'on n'est pas en présence d'une symbiose. L'ascovirus a conservé son autonomie et peut se transmettre en utilisant occasionnellement les individus d'autres espèces d'hyménoptères. Il se comporte alors comme un ascovirus « classique » entraînant l'échec du parasitisme.

Plusieurs espèces de guêpes ont développé des associations avec des virus plus étroites encore que celle décrite ci-avant. Le virus y perd toute autonomie et a été transformé en une véritable arme de combat biologique, utilisée par la guêpe pour modifier la physiologie de l'hôte. Ces entités virales très particulières ont été découvertes par le groupe de Donald Stoltz de l'université d'Halifax, au Canada, et sont nommées « polydnavirus », en référence à leur génome, qui est composé de plusieurs dizaines de molécules circulaires d'ADN double brin. Tous les polydnavirus identifiés à l'heure actuelle sont associés à des espèces appartenant à deux familles apparentées d'hyménoptères : les ichneumonidés et les braconidés.
Dans le cas du parasitisme d'un papillon, le sphinx du tabac Manduca sexta, par la guêpe Cotesia congregata, modèle que nous étudions en collaboration avec le groupe de Nancy Beckage de l'université de Californie, les particules virales sont produites dans la guêpe par des cellules spécialisées situées à la base de l'ovaire, dans un renflement appelé le calice. Puis les virus sont libérés dans la lumière de l'ovaire, en quantité très importante. Lors de la ponte, les virus présents dans le fluide génital sont injectés dans le corps de l'hôte. Le génome viral pénètre ensuite dans de nombreux types cellulaires et en particulier les plasmatocytes, cellules immunitaires de l'hémolymphe. Les protéines virales sont alors produites en quantité considérable. Par exemple, la protéine virale majeure, EP1, atteint 5 % du total des protéines de l'hémolymphe de l'hôte quarante-huit heures après l'introduction du virus5. Cependant, ce début de cycle viral, qui devrait se poursuivre par la réplication de l'ADN du virus, avorte et il n'y a pas production de nouveaux virus. Les polydnavirus sont donc totalement dépendants de l'hyménoptère pour leur multiplication.

La présence de ces virus est également capitale pour l'hyménoptère. En effet, il a été démontré expérimentalement que les polydnavirus sont nécessaires au succès du parasitisme, ceci aussi bien pour l'espèce de guêpe que nous étudions famille des braconidés que pour une espèce de la famille voisine des ichneumonidés.
L'introduction artificielle des oeufs du parasite dans l'hôte en l'absence de fluide génital conduit à leur destruction. En revanche, lorsque les oeufs sont introduits avec du virus purifié injecté en solution, ils se développent normalement. Par ailleurs, si le génome viral a été détruit par rayonnement ultraviolet, les particules infectées ne confèrent plus aucune action protectrice aux oeufs du parasite6. Ce n'est donc pas la simple présence des particules virales dans l'hôte qui est nécessaire à la survie et au développement du parasite, mais bien l'expression des gènes viraux.

De manière encore plus remarquable, l'association guêpe-polydnavirus va au-delà de la dépendance physiologique. Il a en effet été montré que le génome viral présent dans le noyau des cellules de l'hyménoptère ne s'y trouve pas uniquement sous forme de molécules circulaires d'ADN viral, mais également sous forme intégrée dans une structure génomique de grande taille qui correspond, selon plusieurs auteurs, à un chromosome de la guêpe. C'est à partir de cette matrice que sont fabriqués les cercles d'ADN viral. Ce phénomène a été mis en évidence dans deux espèces de la famille des Ichneumonidés7. Nos résultats montrent que cette forme intégrée du génome viral existe également pour un polydnavirus associé à l'hyménoptère braconidé Cotesia Congregata. Les gènes intégrés des polydnavirus se comportent en fait comme de véritables gènes de la guêpe, transmis verticalement à ses descendants. La présence du polydnavirus est indispensable à la réussite parasitaire de la guêpe et le virus, de son côté, ne peut se multiplier que dans l'hyménoptère. Ces deux partenaires ont ainsi constitué une association de type symbiotique, stabilisée grâce à l'intégration de l'ADN viral dans le génome de l'hyménoptère.
Pour comprendre l'action des polydnavirus dans l'hôte, il faut rappeler qu'il existe chez les insectes un mécanisme permettant d'éliminer un corps étranger, comme par exemple l'oeuf d'un parasite. Ce mécanisme consiste dans un premier temps à isoler ce corps étranger en l'entourant d'une « capsule », généralement composée de cellules immunitaires et d'une substance synthétisée par l'organisme, la mélanine. L'« encapsulation » est un phénomène complexe et encore mal connu. Chez les lépidoptères, la première étape de la formation d'une capsule est la reconnaissance de l'oeuf du parasite par les granulocytes, cellules qui contiennent des inclusions dans leur cytoplasme. Cette reconnaissance entraîne leur dégranulation, c'est-à-dire la libération de leurs inclusions et des médiateurs chimiques qu'elles contiennent. Les facteurs libérés vont attirer les plasmatocytes qui vont entourer le corps étranger pour former la capsule8.
Les polydnavirus sont capables d'inhiber ce mécanisme d'encapsulation9. Il a en effet été montré que l'injection de polydnavirus purifié provoque très rapidement une modification des capacités d'adhésion des plasmatocytes. Ces cellules ne sont alors plus capables de s'attacher sur un corps étranger et ne forment pas de capsule. D'autre part, non contents d'altérer ces fonctions, les polydnavirus induisent un phénomène de mort cellulaire massive des cellules immunitaires de l'hôte. Ce phénomène, décrit par le groupe de Michael Strand de l'université du Wisconsin, concerne particulièrement les granulocytes dont le nombre baisse considérablement dans les jours qui suivent la ponte du parasite. Ces cellules sont détruites par l'activation de leurs propres gènes d'apoptose, c'est-à-dire les gènes déclenchant la mort cellulaire programmée. Notre connaissance actuelle permet d'imaginer des scénarios expliquant l'évolution des interactions guêpes-virus vers une symbiose du type hyménoptère polydnavirus. Nous avons vu que les hyménoptères parasites sont des outils de dissémination des virus dans les populations d'insectes hôtes. Ce phénomène favorise l'apparition d'associations hyménoptère virus, qui peuvent être stabilisées si le virus ne défavorise pas le parasite en ayant un effet pathogène ou en empêchant le développement de la larve dans l'hôte. Par exemple, dans le modèle Diadromus ascovirus , des mécanismes entraînant le ralentissement du cycle viral de l'ascovirus dans lachrysalide parasitée et donc permettant le développement du parasite, ont été sélectionnés. Ceci a permis de stabiliser l'association guêpe ascovirus : comme nous l'avons montré, dans les populations naturelles d'hyménoptères, tous les individus hébergent cet ascovirus. Cette observation suggère que l'association est également bénéfique pour la guêpe. Si le virus devient non plus avantageux mais indispensable à la réussite parasitaire de l'hyménoptère, on peut observer l'apparition d'associations de type symbioses. Dans le cas des polydnavirus, nous pouvons imaginer plusieurs scénarios évolutifs différents.

Dans une première hypothèse, un virus infecte, à l'origine, une espèce de lépidoptère parasitée par un hyménoptère : il effectue son cycle viral complet chez le papillon et se maintient chez la guêpe. Ce virus est avantageux pour l'hyménoptère en favorisant sa réussite parasitaire. A un moment donné, le matériel génétique viral s'intègre dans le génome d'une cellule germinale ou d'un oeuf du parasite. Il est alors transmis à la descendance de cette guêpe. Cette association irréversible étant avantageuse pour l'hyménoptère, elle se fixe dans la population. Sous l'effet de la sélection, le virus peut alors perdre progressivement sa capacité à effectuer un cycle complet dans l'hôte puisque la production de particules infectieuses n'est plus nécessaire à sa transmission. De même, le parasite peut perdre sa capacité à « réussir » le parasitisme en l'absence de virus.
A terme, seules seront conservées chez le virus les fonctions utiles à la réussite parasitaire, c'est-à-dire la réplication des gènes codant pour les protéines à action immunosuppressive et la production des particules permettant de les transporter dans les cellules de l'hôte. Le virus est alors devenu une véritable « sécrétion génétique » du parasite. En poussant ce raisonnement à l'extrême, le génome viral présent dans les particules peut même finir par disparaître si ces dernières sont à elles seules suffisantes à conférer l'avantage sélectif au parasite. Cette situation a été décrite pour une guêpe ichneumo-nidée, Venturia canescens, qui produit des VLP Virus like particule, c'est-à-dire des particules virales sans matériel génétique. Les VLP recouvrent les oeufs du parasite et assurent son camouflage vis-à-vis des mécanismes de défense de l'hôte, permettant ainsi le succès parasitaire10.
Une autre hypothèse pouvant expliquer la mise en place de ces symbioses suppose l'existence d'un virus effectuant son cycle viral chez l'hyménoptère. Ce virus peut être quelque peu pathogène pour la guêpe mais il améliore la réussite parasitaire lorsqu'il est injecté dans l'hôte parasité en même temps que l'oeuf. A la suite de l'intégration exceptionnelle de l'ADN viral dans la lignée germinale de la guêpe, l'association devient irréversible. La sélection peut alors conduire à la perte des gènes viraux dont l'expression constituait un désavantage pour l'hyménoptère ; le virus perd son caractère pathogène pour la guêpe. La production de grandes quantités de virus dans les cellules du tractus génital de la guêpe est en revanche sélectionnée puisqu'elle présente un avantage lors du parasitisme. En faveur de cette hypothèse d'une origine hyménoptère des polydnavirus, il faut noter que des cercles d'ADN viraux sont produits en faible quantité dans tous les tissus de la guêpe. Cette faible production virale pourrait être le reflet d'une multiplication ancestrale ubiquiste du virus. Comme dans le premier scénario, le parasite peut alors perdre sa capacité à réussir le parasitisme en l'absence de virus.
Ces observations soulignent le caractère original des associations mises en place dans le groupe des hyménoptères. Ainsi, elles montrent que les virus qui utilisent leur hôte pour se multiplier peuvent parfois être eux-mêmes utilisés par l'organisme qui les abrite. Dans le cas extrême des polydnavirus, cette évolution a conduit à la mise en place d'une symbiose. Dans les années à venir, la poursuite des travaux sur d'autres modèles biologiques et l'obtention d'une meilleure connaissance des phylogénies des hyménoptères et de leurs virus permettront de tester et d'améliorer les scénarios évolutifs de mise en place de ces associations. Ces tra- vaux permettront également d'expliquer comment, non contents d'avoir inventé la vie en société, les hyménoptères ont également réussi à mettre au point l'arme biologique.

1 J.A. Hoffman, « Innate imunity of insects », Current Opinion in Immunology, 7 , 1995.
2 N.E. Beckage, Parasites and pathogens of insects , vol. 1, Academic Press Inc, San Diego, 1993.
3 D. Stoltz et J.B. Whitfield, Journal of Hymenopteran Research , 1 , 125, 1992.
4 B.A. Federici, P NAS , 80 , 7664, 1983.
5 S. Harwood et al. , Journal of Virology , 205 , 381, 1994.
6 K.M. Edson et al. , Science , 211 , 582, 1981.
7 J.G. W. Fleming et al. , in « Parasites and pathogens of insects » , vol 1, Academic Press Inc, San Diego,1993.
8 M.D. Summers et S.D. Dib-Hajj., P NAS , 92 , 29, 1995.
9 M.R. Strand et al. , Annual Review of Entomology, 40 , 31, 1995.
10 I. Feddersen et al. , Experientia , 42 , 1278, 1986.

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Le voyage de millions de piRNAs commence en un foyer unique nucléaire

Les petits ARN interférents piRNAs, ou Piwi-interacting RNAs, assurent la mise sous silence des éléments transposables dans l’appareil reproducteur. L’équipe de Chantal Vaury, au laboratoire Génétique, reproduction et développement, a élucidé chez la drosophile le mécanisme moléculaire de l’export des transcrits précurseurs des piRNA hors du noyau des cellules somatiques ovariennes. Ces précurseurs sont transférés vers une structure nucléaire unique, le Dot COM, avant leur export par un complexe d’exportines qui constitue le signal d’assemblage de la machinerie cytoplasmique nécessaire à leur maturation en piRNAs. Ces travaux ont été publiés le 8 décembre dans la revue Nature Communications.

Les éléments transposables sont des séquences d’ADN répétées capables de se déplacer d’un site chromosomique à l’autre. Semblables aux rétrovirus exogènes actuels, ces éléments mutagènes sont retrouvés dans le génome de presque tous les êtres vivants et représentent 45% du génome humain et 18% du génome de Drosophila melanogaster. Un contrôle strict de leur expression est essentiel pour empêcher que leur mobilisation n'engendre des réarrangements génomiques potentiellement délétères pour la survie de l’hôte. Dans l’appareil reproducteur, la mise sous silence des éléments transposables est primordiale pour la préservation de l’intégrité de l’information génétique transmise à la descendance. Le contrôle des éléments transposables y est assuré par la voie des piRNAs.

Les piRNAs sont une classe de petits ARNs de 23-29nt exprimés essentiellement dans les gonades. Chez la drosophile, les piRNAs proviennent de la maturation de longs ARNs précurseurs transcrits à partir de régions génomiques particulières, majoritairement hétérochromatiques, appelées clusters de piRNAs. Ces clusters, qui peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de kilobases, sont composés en grande partie d’éléments transposables entiers et tronqués enchevêtrés. Après leur maturation dans le cytoplasme, les piRNAs sont chargés sur une protéine effectrice de la famille PIWI. Le complexe RISC (RNA-induced silencing complexe) formé cible et clive les ARNs de séquence complémentaire, induisant une mise sous silence transcriptionnelle ou post-transcriptionnelle des éléments transposables.

L’équipe de Chantal Vaury avait précédemment montré que les transcrits produits par les différents clusters de piRNAs exprimés dans les cellules somatiques ovariennes de drosophile sont activement transportés à travers le nucléoplasme et se rassemblent en un foyer nucléaire unique. Ce foyer, appelé Dot COM car il contient notamment les transcrits du cluster de piRNAs flamenco/COM (flam) majoritairement exprimé dans ces cellules, a une localisation particulière : situé à la périphérie nucléaire, il est éloigné du locus génomique flam et fait face à la machinerie cytoplasmique de maturation des piRNAs (Dennis & al., 2013. PLoS One. Sep 9;8(9):e72752.)

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs montrent que le Dot COM correspond au site d’export des ARNs précurseurs vers leur machinerie cytoplasmique de maturation. L’export est assuré par le complexe d’exportines Nxf1-Nxt1. En absence de la protéine Nxt1, les ARNs précurseurs ne sont pas exportés et se retrouvent accumulés dans le Dot COM, il n’y a pas de production de piRNAs et les éléments transposables sont exprimés. De plus, dans ce contexte, la machinerie cytoplasmique de maturation des piRNAs n’est pas assemblée, suggérant que l’export des ARNs précurseurs constitue le signal d’assemblage de leur propre machinerie de maturation.

Outre leur rôle dans l’export des ARNs précurseurs, les exportines Nxf1-Nxt1 sont également requises, avec le complexe exon-jonction (EJC), pour le transfert nucléaire actif des ARNs précurseurs flam de leur site de transcription au Dot COM. En effet, en absence de ces protéines, les ARNs flam sont bloqués à leur site de transcription. Ils peuvent cependant être exportés dans le cytoplasme directement depuis leur site de transcription en contextes mutants pour les composants de l’EJC dans lesquels l’export n’est pas altéré.





 

En savoir plus
* Export of piRNA precursors by EJC triggers assembly of cytoplasmic Yb-body in Drosophila. 
Dennis C, Brasset E, Sarkar A, Vaury C.
Nat Commun. 2016 Dec 8;7:13739. doi: 10.1038/ncomms13739.  



 Contact chercheur
* Chantal Vaury 
Laboratoire GReD 
CNRS UMR 6293, Inserm U 1103, Université Clermont Auvergne 
Faculté de Médecine
28 Place Henri Dunant
63000 Clermont-Ferrand
Tel: 04 73 17 81 70

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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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