De la microbiologie pour ceux qui ont les crocs
Quels gènes fabriquent une bactérie ?
Tous les organismes possèdent une vaste collection de gènes dans leur génome. Les humains ont environ 20 000 gènes; Escherichia coli, la bactérie la plus étudiée, environ 4 500. Un grand mystère en biologie est de trouver lesquels d’entre eux sont réellement importants pour l’organisme. Un moyen simple de le découvrir est de retirer un gène donné du génome : si vous pouvez le supprimer, alors ce n’était pas si important.
Pensez-y comme si vous n’aviez jamais vu de voiture et que vous essayiez de comprendre comment elle fonctionne. Vous pourriez facilement retirer la radio : vous n’auriez pas de musique, mais sinon la voiture roulerait parfaitement bien. Si par contre vous enleviez les roues, la voiture ne bougerait pas du tout. Enfin, vous ne pourriez pas retirer le réservoir d’essence d’une voiture à moteur, mais vous pourriez le retirer d’une voiture hybride. Les voitures électriques n’en ont même pas !
De même, certains gènes bactériens sont essentiels (nécessaires à la croissance de l’organisme), tandis que d’autres sont superflus. Comme les voitures, les bactéries sont très diverses et un gène essentiel dans une souche peut être inutile dans une souche étroitement apparentée. En effet, les bactéries d’une même espèce ont parfois des modes de vie très différents, d’où une très grande diversité génétique. C’est le cas d’Escherichia coli, si diversifiée que l’on découvre de nouveaux gènes dans chaque génome nouvellement séquencé ! Quels gènes sont essentiels dans toutes les souches ? Pourquoi certains gènes sont-ils essentiels dans certaines souches et pas dans d’autres ?
Pour le savoir, F. Rousset et ses collaborateurs ont utilisé une technique appelée CRISPRi. Au lieu de retirer le gène du génome, CRISPRi bloque son expression. Pour continuer avec l’analogie avec la voiture, c’est comme si au lieu de retirer la pièce, vous mettiez de la colle dessus. Ils se sont concentrés sur un ensemble de 18 souches représentatives de la diversité d’Escherichia coli, et ont utilisé CRISPRi pour cibler l’ensemble des 3 400 gènes présents dans la plupart de ces souches. Ils ont réalisé les expériences en utilisant différents milieux de culture, le milieu LB « riche » traditionnellement utilisé, avec beaucoup de nutriments, le milieu minimal M9 qui n’en a qu’une poignée et un milieu (GMM) imitant les conditions trouvées dans notre intestin, un des environnements naturels d’E. coli.
Ils ont découvert que seul un nombre étonnamment petit de gènes communs étaient essentiels dans les 18 souches (266 dans LB, 304 dans M9 et 248 dans GMM). De manière fascinante, beaucoup d’autres étaient essentiels dans au moins une souche (environ deux fois plus : 506 dans LB, 602 dans M9 et 555 dans GMM). En fait, la plupart des gènes essentiels sont essentiels soit dans toutes les souches, soit seulement dans une poignée.
Ils ont examiné si des souches plus étroitement apparentées avaient des ensembles de gènes essentiels plus similaires. Même si le profil d’expression des gènes était très similaire dans les souches apparentées, ils ont montré que leurs ensembles de gènes essentiels pouvaient différer de manière significative. En effet, la distance évolutive* n’était que très faiblement corrélée à la similarité des ensembles de gènes essentiels. Il est à noter que ce n’était que dans l’un des milieux testés. Ainsi, des facteurs autres que la parenté expliquent les différences d’essentialité.
Distance evolutive* : nombre d’événements élémentaires de substitution (mutations) survenus pendant le temps de divergence de deux séquences (en l’occurrence, les génomes de deux organismes). Il mesure à quel point les organismes sont apparentés.
Rousset et ses collaborateurs se sont ensuite concentrés sur les gènes présentant une essentialité très contrastée (gènes essentiels dans au moins une souche, et non essentiels dans au moins une souche). Ils ont étudié la base génétique de ces différences. Ils ont trouvé 120 de ces gènes (32 dans LB, 55 dans M9 et 66 dans GMM) et ont exploré les mécanismes qui pourraient expliquer les différences d’essentialité pour eux. Les auteurs ont recherché une redondance fonctionnelle et se sont rendu compte que c’était le cas pour le gène metG.
De plus, la metG n’est pas essentielle dans les souches où le gène est dupliqué : en ciblant une copie, l’autre peut toujours être exprimée et la cellule peut continuer à se développer normalement. Pensez-y comme une voiture électrique à deux moteurs : si l’un tombe en panne, l’autre peut toujours vous ramener chez vous. De même, les gènes ycaR-kdsB n’étaient pas essentiels dans les souches possédant l’homologue (un gène avec une ascendance partagée) kpsU, qui pourrait remplir la même fonction. Ils ont découvert que chaque souche possédait entre 10 et 17 gènes supplémentaires homologues à des gènes essentiels. Cependant, les homologues ne sont parfois pas suffisamment exprimés pour contrebalancer le manque des gènes essentiels. A titre d’exemple, nrdA et nrdB restent essentiels dans les souches APEC O1 et TA447, bien qu’ayant des homologues : ces homologues ne sont tout simplement pas assez exprimés.
Dans des cas plus subtils, ils ont observé une redondance fonctionnelle mais n’ont pu trouver aucun gène homologue. Ce fut le cas pour le gène dut dans les souches APEC O1 et TA447. Ils ont réalisé que ces souches possédaient un plasmide (un petit morceau d’ADN extra-chromosomique) avec des gènes censés avoir une fonction apparentée. Ils pouvaient se limiter à un gène en particulier, dont ils ont prouvé qu’il remplissait exactement la même fonction que le devoir. Comme ce gène n’est pas lié à l’évolution de dut, il s’agit d’un analogue. Vous pouvez penser au moteur et au moteur électrique des voitures hybrides : les deux moteurs sont très différents, mais remplissent la même fonction.
Enfin, ils voulaient savoir pourquoi certains gènes ne sont pas essentiels dans la plupart des souches, mais deviennent soudain essentiels dans d’autres. Les scientifiques ont observé de tels gènes dans 13 des 18 souches. Pour la plupart de ces gènes « variablement essentiels » de la souche K-12, ils ont remarqué que c’était parce qu’ils possédaient un homologue dysfonctionnel : si votre voiture électrique à deux moteurs mais qu’un est en panne, le dernier devient critique.
Afin de comprendre l’essentialité variable d’autres gènes, ils ont utilisé l’évolution expérimentale. De cette façon, ils ont généré des bactéries mutantes dans lesquelles le gène d’intérêt n’était plus essentiel. En séquençant les génomes des souches évoluées et ancestrales, Rousset et ses collaborateurs ont découvert que le gène d’intérêt fait partie d’un système toxine-antitoxine. De tels systèmes sont des éléments génétiques « addictifs », dans lesquels un gène forme un produit toxique que le second gène neutralise. Si les deux gènes sont présents, la cellule va bien, mais la cellule meurt si l’antitoxine manque. Les systèmes toxine-antitoxine sont utilisés par certaines bactéries pour se défendre contre les virus. D’autres gènes « variablement essentiels » correspondaient également à des systèmes de défense virale. Comme nous, il semble que les bactéries luttent toujours contre les virus !
Featured image: Picture by NIAID, https://www.flickr.com/photos/54591706@N02. https://search.creativecommons.org/photos/62e946dc-ab94-40cc-acaf-f484de4ca9dc
Auteur: Théophile Grébert
Traduit par: Anaïs Biclot
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