14 Fév Les cellules et la ville

Retraçant l’évolution de la maintenance des protéines dans les « arrondissements » cellulaires, les étudiants du professeur Dan Tawfik publient leur étude après sa mort prématurée.

Lorsque nous contemplons la splendeur de la vie que l’évolution a façonnée – un « banc enchevêtré », comme l’a dit Darwin, « habillé de nombreuses plantes de toutes sortes, d’oiseaux chantant sur les buissons, de divers insectes voltigeant, et de vers rampant dans la terre humide » – il est difficile d’imaginer que ces « formes élaborées, si différentes les unes des autres » n’ont eu, selon les propres mots de Darwin, qu’un « commencement si simple ». On pense qu’elles ont toutes évolué à partir du dernier ancêtre commun universel, ou LUCA, apparu il y a plus de 3,6 milliards d’années. On pense que LUCA était un groupe d’organismes unicellulaires beaucoup plus simples que tous les microbes que nous connaissons aujourd’hui, ne contenant que quelques centaines de protéines simples.

Lorsque toutes les formes de vie ont divergé à partir de LUCA, le répertoire de protéines s’est également étendu à grande échelle. Mais les protéines complexes et de grande taille, telles que celles présentes dans les cellules végétales et animales, comportent un risque : elles doivent se replier en structures complexes, mais souvent elles ne se replient pas correctement, et même celles qui se replient finissent par être endommagées, s’accumulent et forment des agrégats toxiques qui peuvent tuer la cellule. La vie a relevé ce défi en développant une machinerie de maintenance spécialisée : les chaperons moléculaires, les « gardiens » des protéines, qui les aident à se replier correctement ou à retrouver leur repliement correct, à démanteler les agrégats de protéines et à rediriger les protéines vers la dégradation lorsqu’elles sont jugées irréparables. De même qu’une immense métropole est divisée en arrondissements (pensez aux cinq arrondissements de la ville de New York), ce qui facilite l’entretien de ses vastes infrastructures, les cellules possèdent cinq familles de chaperons moléculaires uniques, mais qui coopèrent entre elles et coordonnent le contrôle de qualité des protéines.

(de gauche à droite) Le Dr Saurav Mallik et le professeur Pierre Goloubinoff avec une image du défunt professeur Dan Tawfik.

Qu’est-il arrivé aux protéines et aux chaperons au cours de l’évolution ? Plus précisément, comment le protéome – l’ensemble des protéines d’un organisme – s’est-il développé au cours des quelque quatre milliards d’années de l’évolution, et comment les chaperons ont-ils évolué pour soutenir cette expansion ? Pour répondre à ces questions, le regretté professeur Dan Tawfik du Département des Sciences Biomoléculaires de l’Institut Weizmann des sciences, ainsi que le Dr Saurav Mallik, ont fait équipe avec les professeurs Pierre Goloubinoff et Mathieu E. Rebeaud de l’Université de Lausanne. Ils ont recueilli les protéomes de 188 organismes représentatifs de tous les grands règnes et les ont disposés sur un arbre de vie, avec LUCA à sa racine et diverses branches représentant l’ordre relatif dans lequel les différentes classes d’organismes ont divergé au fil du temps. Ils ont ensuite réalisé une analyse bioinformatique systématique qui a exploré l’évolution des protéines et des chaperons le long de l’arbre.

L’analyse, publiée récemment dans un article des Comptes rendus de l’Académie des Sciences des États-Unis (PNAS), a révélé comment l’augmentation de la complexité des organismes allait de pair avec la complexité croissante des protéines. Des organismes unicellulaires appelés archées jusqu’aux mammifères, le nombre total de protéines par protéome a été multiplié par près de deux cents, passant d’environ 700 dans les archées les plus simples à environ 120 000 chez l’homme. Les protéines individuelles sont également devenues plus grandes, et des protéines totalement nouvelles, avec de nouveaux plis et de nouvelles combinaisons de plis, sont apparues au fil du temps.

Les chaperons aussi étaient simples au début de la vie cellulaire, et seules deux des cinq familles de chaperons étaient présentes dans LUCA. Lorsque la vie s’est étendue des océans à la terre, selon toute vraisemblance il y a environ trois milliards d’années, et que les bactéries terrestres ont évolué, les trois autres familles de chaperons sont apparues, ainsi que les premières molécules assistantes spécialisées appelées cochaperones. Ces assistants favorisent les activités des chaperons, augmentent la capacité des chaperons à travailler en coopération en tant que réseau intégré et redirigent les protéines endommagées vers les chaperons pour qu’ils les réparent.

Mais, étonnamment, aucun nouveau chaperon n’est né depuis, même lorsque la complexité des protéines a grimpé en flèche avec l’apparition des organismes multicellulaires, tout comme la proportion de protéines sujettes au mauvais repliement et à l’agrégation. Comment un système de chaperons vieux de trois milliards d’années peut-il assurer le contrôle de qualité des protéines modernes extrêmement complexes ?

La Calnexine – l’une des nombreuses protéines chaperonnes qui contribuent au pliage tridimensionnel correct des protéines.
Image : Shutterstock

L’analyse de l’étude a montré qu’à mesure que les protéines devenaient plus diverses et plus abondantes, les cellules ajoutaient encore plus de chaperons. En fait, la concentration de chaperons dans la cellule a été presque multipliée par six par rapport à toutes les autres protéines, et la majeure partie de cette augmentation s’est produite pendant l’émergence de formes de vie complexes.

Le docteur Mallik décrit l’évolution des chaperons en utilisant l’analogie de l’entretien d’une ville : « Quelle que soit l’ampleur de la croissance d’une ville, nous n’inventons pas de nouvelles méthodes pour fournir de l’eau, ramasser les ordures ou traiter les eaux usées – nous recrutons simplement plus de personnes et de machines pour faire le travail supplémentaire. De même, pour relever les défis croissants de l’entretien des protéines, les cellules végétales et animales ont augmenté la quantité de chaperons par rapport aux autres protéines. »

En parallèle, les cochaperons ont augmenté non seulement en nombre mais aussi en diversité : de quatre familles de cochaperons chez les bactéries à vingt chez certains mammifères.

« Avec l’augmentation de la concentration de chaperons et l’émergence d’une main-d’œuvre de cochaperons, la vie a résolu le problème du  « contrôle de  qualité des protéines » » conclut le docteur Mallik.