Paris, 22 mars 2013

Comment l'évolution repeint les êtres vivants

Du pelage rayé du zèbre aux ailes colorées des papillons en passant par les bandes rouges du poisson-clown, les animaux sont décorés de motifs pigmentaires très diversifiés, essentiels à leur survie et leur reproduction. Mais comment ces motifs colorés apparaissent-ils et se modifient-ils au cours de l'évolution ? Une équipe de chercheurs de l'Institut de biologie du développement de Marseille-Luminy (CNRS / Aix-Marseille Université) vient de proposer un modèle génétique expliquant l'émergence évolutive de nouveaux motifs pigmentaires et leur diversification entre espèces. Pour cela, les scientifiques se sont intéressés à une tache noire présente sur les ailes des mouches drosophiles. Ils ont retracé l'histoire des changements génétiques qui ont donné naissance à ce caractère et conduit à sa diversification en formes différentes chez plusieurs espèces. Leurs travaux sont publiés le 22 mars 2013 dans la revue Science. Ce modèle génétique pourrait également expliquer l'évolution d'autres caractères animaux, au-delà des motifs colorés qui les habillent.
La morphologie des animaux, de leur forme générale à leur ornementation, est déterminée par des gènes qui s'activent au cours du développement embryonnaire. Ces gènes agissent comme différents corps de métier sur un chantier : certains  sont des « architectes » qui établissent la trame du corps ou d'un organe ; d'autres sont des « artisans » (peintres, charpentiers…) qui reçoivent leurs instructions des gènes « architectes ». Comprendre comment les relations entre ces gènes s'établissent pendant le développement embryonnaire et se modifient au cours de l'évolution sont des questions centrales pour élucider comment la morphologie des animaux apparait et évolue.

De l'apparition d'une tache…
Dans ce contexte, les chercheurs se sont intéressés à une tache de pigments noirs présente sur les ailes des mâles de plusieurs espèces de drosophiles. L'équipe s'est d'abord penchée sur l'apparition de cette tache, il y a environ 15 millions d'années, chez un ancêtre des espèces tachetées actuelles. Elle a mis en évidence que des mutations apparues dans la séquence de gènes « peintres » les ont rendu sensibles à un gène « architecte » actif au bout de l'aile, dans la région de la tache. Ces gènes « peintres » produisaient déjà du pigment noir sur d'autres parties du corps ; à présent qu'ils répondent à un gène « architecte » de l'aile, ils en produisent également au bout de l'aile. Ainsi, l'apparition d'une nouveauté évolutive, la tache sur l'aile, résulte non pas de l'évolution de nouveaux gènes mais plutôt de l'émergence de nouvelles interactions entre des gènes préexistants. Ces résultats illustrent au niveau génétique comment l'évolution procède par un bricolage opportuniste pour faire du neuf avec du vieux.

…à sa diversification entre espèces de drosophiles
Une fois la tache apparue, sa forme s'est modifiée au gré de la formation de nouvelles espèces de drosophiles. Ainsi, la coloration de leurs ailes s'est plus ou moins intensifiée, étalée, ou même éclatée en plusieurs petites taches. Ces variations sur un thème initial constituent une deuxième phase évolutive distincte de l'apparition du caractère « tache au bout de l'aile ». Les chercheurs ont montré que les variations de forme des motifs ne sont pas le fruit de mutations au niveau des gènes « peintres », mais qu'elles résultent au contraire de changements dans la distribution spatiale de l'expression du gène « architecte ». En effet, en réponse à des variations de celle-ci, tous les gènes « peintres » qu'il gouverne ont vu leur propre distribution modifiée dans l'aile.

De telles transitions évolutives en deux temps (apparition-diversification) sont communes dans le vivant, et les mécanismes génétiques identifiés dans le cas de la tache des ailes de drosophile sont extrapolables dans leur principe à l'évolution d'autres caractères.

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Paris, 1er novembre 2012

Staphylocoque doré : une piste pour expliquer sa résistance aux antibiotiques

Des chercheurs de l'Institut Pasteur, du CNRS, et de la faculté de médecine de l'Université de Tsukuba au Japon, ont pour la première fois prouvé que l'activation d'un gène du staphylocoque doré (Staphylococcus aureus) permettait à ce dernier d'incorporer de l'ADN exogène et de devenir résistant à la méticilline. Ils ont également identifié deux mécanismes d'activation de ce gène. Ces résultats constituent un pas important dans la compréhension des mécanismes d'acquisition des gènes de résistance aux antibiotiques par S. aureus. Ces travaux sont publiés dans la revue PLoS Pathogens le 1er novembre.
Staphylococcus aureus est une bactérie extrêmement pathogène pour l'homme. Elle est la cause de multiples infections, qui vont de la  lésion cutanée (furoncles, panaris, impétigo, etc.), à l'endocardite, la pneumonie aiguë, l'ostéomyélite ou la septicémie. Elle est très redoutée en milieu hospitalier et arrive au premier rang des germes à Gram positif responsables d'infections nosocomiales. Les souches les plus dangereuses sont celles qui sont multi-résistantes aux antibiotiques. C'est le cas du Sarm1, résistant à la méticilline (comme 60% des souches multirésistantes), répandu dans le milieu hospitalier européen et qui pose un problème de santé publique majeur.  

Jusqu'à présent, les mécanismes à l'origine de l'acquisition des gènes de résistance par les bactéries du genre staphylocoque étaient inconnus. Cependant, l'équipe de Tarek Msadek, chercheur dans l'unité Biologie des bactéries pathogènes à Gram-positif, Institut Pasteur-CNRS, en collaboration avec la faculté de médecine de Tsukuba, vient de faire une importante découverte : pour la première fois, les chercheurs ont démontré que l'activation d'un gène de S. aureus, appelé sigH, permet à ce dernier de mettre en route une machinerie spécialisée et de capturer de l'ADN présent dans son environnement, et donc potentiellement d'acquérir des gènes de résistance aux antibiotiques. Les chercheurs ont également mis en évidence deux mécanismes distincts d'activation du gène sigH. Dans leur démonstration, après avoir activé expérimentalement le gène sigH, les chercheurs ont réussi sont parvenus à transformer naturellement une souche de S. aureus sensible à la méticilline en une souche résistante, analogue à celles responsables des infections nosocomiales.

L'ensemble de ces résultats suggère que l'inhibition du gène sigH serait une piste sérieuse pour lutter contre l'apparition de souches deS. aureus multirésistantes aux antibiotiques.

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Paris, 9 octobre 2012

Le génome du champignon de Paris décrypté

Au sein d'un consortium international, des équipes de l'INRA, du CNRS, des universités de Lorraine et d'Aix-Marseille ont séquencé le génome du champignon de Paris (Agaricus bisporus). Les chercheurs ont identifié les mécanismes génétiques en jeu dans la formation de ce champignon et ses capacités d'adaptation au milieu dans lequel il vit. Plus largement, ces travaux permettent de mieux comprendre le rôle des champignons forestiers dans les processus de recyclage du carbone dans l'environnement. Publiés la semaine du 8 octobre 2012 dans la revue PNAS, ces résultats conduiront également à améliorer la culture industrielle du champignon de Paris.
Depuis plus de 300 ans, le processus de fructification du champignon de Paris est maîtrisé dans les champignonnières à des fins alimentaires. La production mondiale dépasse les 1 400 000 tonnes dont plus de 100 000 tonnes par an pour la France (essentiellement dans la région du Val de Loire). À l'état sauvage, le champignon de Paris est plutôt rare et pousse principalement sur les litières dans les forêts (surtout de cyprès) et les prairies.
Dans le cadre d'un vaste projet de séquençage d'une trentaine de génomes de champignons saprophytes (1) mené aux États-Unis par le Joint Genome Institute, des équipes de l'INRA, du CNRS, des universités de Lorraine et d'Aix Marseille (2) ont analysé le génome de deux variétés d'Agaricus bisporus, le champignon de Paris (ou champignon de couche) très proches génétiquement ; l'une poussant dans un désert californien et l'autre utilisée en culture.
En comparant le répertoire de gènes de ces Agarics avec ceux de plusieurs champignons xylophages (qui dégradent le bois mort), les chercheurs ont mis en évidence différents mécanismes enzymatiques propres au champignon de Paris. Ces processus spécifiques lui permettent de survivre et de proliférer sur un milieu complexe très riche en acides humiques freinant la croissance de la plupart des autres micro-organismes. Ces acides s'accumulent dans l'humus des litières forestières, des prairies ou le compost dans les champignonnières, sur lesquels poussent abondamment les champignons de Paris. L'utilisation efficace de cette matière organique nécessite un arsenal d'enzymes de détoxication et de dégradation particulièrement performant. Ainsi, l'étude révèle, chez le champignon de Paris, l'existence de 24 formes d'une peroxydase (une enzyme permettant l'oxydation) particulièrement efficace dans la dégradation des acides humiques, là où les champignons xylophages n'en présentent qu'une seule. Ces résultats permettent de mieux comprendre comment les champignons décomposeurs du bois et d'humus, en agissant de concert, jouent un rôle écologique majeur et assurent le recyclage du carbone dans l'environnement. Ces travaux confirment également le lien entre la niche écologique de ces champignons et leur patrimoine génétique.
Par ailleurs, les scientifiques ont identifié un ensemble de facteurs génétiques contrôlant la croissance et la formation du champignon de Paris. Ouvrant la voie à de nouvelles améliorations génétiques de cette espèce, ces résultats aboutiront à la sélection de nouvelles souches pour la filière agro-alimentaire.

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Paris, 7 septembre 2012

Observer en temps réel la réparation d'une seule molécule d'ADN

L'ADN est sans cesse endommagé par des agents environnementaux tels que les rayons ultra-violets ou certaines molécules de la fumée de cigarette. Sans arrêt, les cellules mettent en œuvre des mécanismes de réparation de cet ADN d'une efficacité redoutable. Une équipe de l'Institut Jacques Monod (CNRS/Université Paris Diderot), en collaboration avec des chercheurs des universités de Bristol en Angleterre et Rockefeller aux Etats-Unis, est parvenue à suivre en direct, pour la première fois, les étapes initiales de l'un de ces systèmes de réparation de l'ADN encore peu connu. Grâce à une technique inédite appliquée à une molécule unique d'ADN sur un modèle bactérien, les chercheurs ont compris comment plusieurs acteurs interagissent pour réparer l'ADN avec une grande fiabilité. Publiés dans Nature le 9 septembre 2012, leurs travaux visent à mieux comprendre l'apparition de cancers et comment ils deviennent résistants aux chimiothérapies.
Les rayons ultra-violets, la fumée de tabac ou encore les benzopyrènes contenus dans la viande trop cuite provoquent des altérations au niveau de l'ADN de nos cellules qui peuvent conduire à l'apparition de cancers. Ces agents environnementaux détériorent la structure même de l'ADN, entraînant notamment des dégâts dits « encombrants » (comme la formation de ponts chimiques entre les bases de l'ADN). Pour identifier et réparer ce type de dégâts, la cellule dispose de plusieurs systèmes, comme la « réparation transcriptionellement-couplée » (ou TCR pour Transcription-coupled repair system) dont le mécanisme d'action complexe reste encore aujourd'hui peu connu. Des anomalies dans ce mécanisme TCR, qui permet une surveillance permanente du génome, sont à l'origine de certaines maladies héréditaires comme le Xeroderma pigmentosum qui touche les « enfants de la Lune », hypersensibles aux rayons ultra-violets du Soleil.

Pour la première fois, une équipe de l'Institut Jacques Monod (CNRS/Université Paris Diderot), en collaboration avec des chercheurs des universités de Bristol en Angleterre et Rockefeller aux Etats-Unis, a réussi à observer les étapes initiales du mécanisme de réparation TCR sur un modèle bactérien. Pour y parvenir, les chercheurs ont employé une technique inédite de nanomanipulation de molécule individuelle(1) qui leur a permis de détecter et suivre en temps réel les interactions entre les molécules en jeu sur une seule molécule d'ADN endommagée. Ils ont élucidé les interactions entre les différents acteurs dans les premières étapes de ce processus TCR. Une première protéine, l'ARN polymérase(2), parcourt normalement l'ADN sans encombre mais se trouve bloquée lorsqu'elle rencontre un dégât encombrant, (tel un train immobilisé sur les rails par une chute de pierres). Une deuxième protéine, Mfd, se fixe à l'ARN polymérase bloquée et la chasse du rail endommagé afin de pouvoir ensuite y diriger les autres protéines de réparation nécessaires à la réparation du dégât. Les mesures de vitesses de réaction ont permis de constater que Mfd agit particulièrement lentement sur l'ARN polymérase : elle fait bouger la polymérase en une vingtaine de secondes. De plus, Mfd déplace bien l'ARN polymérase bloquée mais  reste elle-même ensuite associée à l'ADN pendant des temps longs (de l'ordre de cinq minutes), lui permettant de coordonner l'arrivée d'autres protéines de réparation au site lésé.

Si les chercheurs ont expliqué comment ce système parvient à une fiabilité de presque 100%, une meilleure compréhension de ces processus de réparation est par ailleurs essentielle pour savoir comment apparaissent les cancers et comment ils deviennent résistants aux chimiothérapies.

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