De la microbiologie pour ceux qui ont les crocs
L’énigme épigénétique
Supposons que la vie d’une bactérie soit un film. Maintenant, imaginez que les acteurs de ce film soient représentés par différents gènes du génome bactérien. Attendez une minute… Où est le réalisateur ? Comment peut-on faire un film sans lui ? Voici quelqu’un appelé “épigénétique” qui dit : “Ne vous inquiétez pas ! Je suis là pour vous sauver !”
Pendant longtemps, le contenu des génomes bactériens a été considéré comme le protagoniste des mécanismes mystérieux de la vie microbienne. Pourtant, certaines parties de ces génomes sont restées inexplicables pour les scientifiques pendant des décennies. Cette entité cachée, également connue sous le nom d’épigénétique, décrit comment les facteurs environnementaux influencent les gènes d’un micro-organisme.
Chez les bactéries, l’épigénétique modère l’expression des gènes. L’idée derrière ce phénomène vient d’un autre système appelé système de restriction-modification (RM), qui agit comme un mécanisme de sécurité. Ce système est utilisé dans les situations où des séquences d’ADN étrangères attaquent le génome bactérien. Par exemple, cela peut se produire dans le processus de transfert horizontal de gènes, où les bactéries acquièrent accidentellement des gènes sans fonction apparente ou des gènes qui peuvent raccourcir la vie d’une bactérie. Le système RM protège les génomes bactériens de ces séquences génétiques étrangères et réduit la fréquence du transfert horizontal de gènes.
Le système RM est constitué de deux enzymes : l’enzyme de restriction et l’ADN méthyltransférase. L’enzyme de restriction casse l’ADN étranger, et l’ADN méthyltransférase protège l’ADN cellulaire bactérien de la destruction, tout en laissant l’ADN étranger non méthylé. En conséquence, l’enzyme de restriction coupe l’ADN étranger exposé en petits morceaux, ce qui rend impossible son incorporation dans le génome bactérien.
Les enzymes méthyltransférases sont généralement spécifiques d’un système RM et ont donc une fonction définie dans les bactéries. Cependant, certaines enzymes n’appartiennent pas à un système RM et agissent par elles-mêmes. Elles sont connues sous le nom de méthyltransférases orphelines. Ces enzymes méthylent l’ADN bactérien à des endroits aléatoires. Ces emplacements méthylés affectent indirectement les gènes environnants et, par conséquent, conduisent à une protéine modifiée codée par ces gènes. Ce qui, à son tour, affecte la croissance des bactéries.
Séquençage du mystère
Les techniques couramment utilisées pour la détection des bases méthylées, comme le séquençage au bisulfite, peuvent généralement manquer des morceaux d’ADN modifiés par des enzymes orphelines. Ces techniques nécessitent une connaissance préalable des séquences méthylées, comme la position dans la séquence à laquelle la méthylation est attendue. Cependant, les techniques de séquençage de troisième génération ont révolutionné le monde de l’épigénétique bactérienne. Elles ne nécessitent pas de manipulations du génome pour détecter les sites méthylés. En outre, ces techniques enregistrent avec précision les informations spécifiques à chaque position modifiée. Ces techniques ont donc résolu les problèmes liés à la détection de la méthylation de l’ADN.
Saviez-vous que les modifications épigénétiques font des bactéries un “homme à tout faire” ?
De nombreux changements épigénétiques entraînent une variation de phase chez les bactéries. La variation de phase désigne l’activation et la désactivation aléatoires de l’expression génétique, tout comme un interrupteur électrique qui contrôle l’électricité de votre pièce. Chacun de ces changements se produit au cours d’un cycle de réplication du génome, ce qui rend l’activation et la désactivation imprévisibles pour les chercheurs. Par exemple, chez Salmonella, le mouvement des flagelles (les bras en forme de tentacules qui recouvrent tout le corps de la bactérie) est contrôlé par de telles variations de phase. Cela permet la coexistence de deux types de la même souche de Salmonella !
Vous allez maintenant vous demander en quoi cela peut aider Salmonella ? Eh bien, une fois que Salmonella a des populations avec et sans flagelle (figure 1), la bactérie peut survivre dans de multiples conditions environnementales :
a) Un environnement nutritionnel stable fournit une occasion parfaite pour les bactéries avec flagelle de nager jusqu’aux cellules de mammifères dans l’intestin et de les infecter. Pourquoi ? Parce que la disponibilité d’un grand nombre de nutriments permet aux bactéries mobiles d’obtenir suffisamment d’énergie pour nager. Mais les bactéries sans flagelle utilisent cet environnement pour conserver leur énergie, car elles n’ont pas besoin de beaucoup de nutriments pour survivre.
b) Dans un environnement sous-alimenté, les bactéries sans flagelle peuvent encore survivre car elles ont économisé leur énergie en nageant dans des conditions nutritionnelles. Les bactéries avec flagelles peuvent se transformer en bactéries sans flagelles dans de telles conditions grâce à leur interrupteur épigénétique magique !
Des chercheurs ont conçu des vaccins en utilisant un commutateur épigénétique !
Bien qu’il s’agisse d’un domaine encore peu exploré, l’épigénétique a permis de concevoir des vaccins intelligents. Ces modèles utilisent ces interrupteurs aléatoires pour déclencher la réponse immunitaire des mammifères. La mémoire acquise après une telle réponse immunitaire sert de base à la protection future de l’organisme hôte contre les bactéries pathogènes. Par exemple, il existe de minuscules molécules (également appelées antigènes O) à la surface des cellules de Salmonella. Lorsque ces molécules entrent en contact avec les cellules immunitaires des mammifères, une réponse immunitaire protectrice est déclenchée. Un commutateur épigénétique détermine la longueur de ces antigènes et, à son tour, les antigènes déterminent l’intensité de la réponse immunitaire des mammifères. Le système immunitaire des mammifères reconnaît plus rapidement les antigènes courts que les longs, ce qui déclenche une réponse précoce contre les salmonelles.
En résumé, l’épigénétique est un facteur contribuant à l’évolution des bactéries en réponse aux conditions environnementales environnantes. Comprendre les mécanismes des interrupteurs épigénétiques peut aider à ouvrir la voie au contrôle de l’évolution bactérienne pour une tâche spécifique, comme la conception d’un vaccin.
Article original: Leise Riber, Lars Hestbjerg Hansen, (2021) Epigenetic Memories: The Hidden Drivers of Bacterial Persistence? Trends Microbiol 2021 Mar;29(3)
Autre references
1. Koirala, S., Mears, P., Sim, M., Golding, I., Chemla, Y. R., Aldridge, P. D., & Rao, C. V. (2014). A Nutrient-Tunable Bistable Switch Controls Motility in Salmonella enterica Serovar Typhimurium. MBio, 5(5), e01611-14. https://doi.org/10.1128/mBio.01611-14
2. Michael Irving (2021). Experimental vaccine forces bacteria down an evolutionary dead end. New Atlas
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