Une illustration artistique de la manière dont les cellules conservent et même transmettent des souvenirs à leur progéniture. Crédit : Camila Felix/Northwestern University
Les cellules bactériennes peuvent « se souvenir » de changements brefs et temporaires survenus dans leur corps et dans leur environnement immédiat, selon une nouvelle étude de l’Université Northwestern et de l’Université du Texas-Southwestern.
Et, bien que ces changements ne soient pas codés dans la génétique de la cellule, celle-ci transmet néanmoins des souvenirs de ces changements à sa progéniture, pendant plusieurs générations.
Cette découverte remet non seulement en cause les hypothèses de longue date sur la manière dont les organismes les plus simples transmettent et héritent des traits physiques, mais elle pourrait également être exploitée pour de nouvelles applications médicales. Par exemple, les chercheurs pourraient contourner la résistance aux antibiotiques en modifiant subtilement une bactérie pathogène pour rendre sa progéniture plus sensible au traitement pendant des générations.
L’étude « Irréversibilité dans les réseaux de régulation bactérienne » a été publié 28 août dans le journal Progrès scientifiques.
« L’une des hypothèses centrales de la biologie bactérienne est que les caractéristiques physiques héréditaires sont déterminées principalement par l’ADN », a déclaré Adilson Motter, de Northwestern, auteur principal de l’étude.
« Mais, du point de vue des systèmes complexes, nous savons que l’information peut également être stockée au niveau du réseau de relations régulatrices entre les gènes. Nous voulions savoir s’il existe des caractéristiques transmises des parents à la progéniture qui ne sont pas codées dans l’ADN, mais plutôt dans le réseau de régulation lui-même.
« Nous avons découvert que des changements temporaires dans la régulation des gènes impriment des changements durables au sein du réseau qui sont transmis à la progéniture. En d’autres termes, les échos des changements affectant leurs parents persistent dans le réseau de régulation alors que l’ADN reste inchangé. »
Motter est professeur de physique Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et directeur du Center for Network Dynamics. Les co-auteurs principaux de l’étude sont le chercheur postdoctoral Thomas Wytock et l’étudiant diplômé Yi Zhao, tous deux membres du laboratoire de Motter.
L’étude implique également une collaboration avec Kimberly Reynolds, biologiste des systèmes au Centre médical Southwestern de l’Université du Texas.
Apprendre d’un organisme modèle
Depuis que les chercheurs ont identifié pour la première fois les fondements moléculaires du code génétique dans les années 1950, ils ont supposé que les caractères étaient principalement, voire exclusivement, transmis par l’ADN. Cependant, après l’achèvement du Projet génome humain en 2001, les chercheurs ont réexaminé cette hypothèse.
Wytock cite la famine hollandaise de la Seconde Guerre mondiale comme un exemple célèbre, soulignant la possibilité de traits héréditaires et non génétiques chez les humains. étude récente Des études ont montré que les enfants d’hommes exposés à la famine in utero présentaient une tendance accrue à devenir obèses à l’âge adulte. Mais il s’est avéré difficile d’isoler les causes profondes de ce type d’hérédité non génétique chez l’homme.
« Dans le cas d’organismes complexes, le défi consiste à démêler les facteurs de confusion tels que le biais de survie », a déclaré Motter.
« Mais peut-être pouvons-nous isoler les causes des organismes unicellulaires les plus simples, puisque nous pouvons contrôler leur environnement et interroger leur génétique. Si nous observons quelque chose dans ce cas, nous pouvons attribuer l’origine de l’hérédité non génétique à un nombre limité de possibilités, en particulier des changements dans la régulation des gènes. »
Le réseau de régulation est analogue à un réseau de communication que les gènes utilisent pour s’influencer mutuellement. L’équipe de recherche a émis l’hypothèse que ce réseau pourrait à lui seul détenir la clé de la transmission des caractères à la descendance. Pour explorer cette hypothèse, Motter et son équipe se sont tournés vers Escherichia coli (E. coli), une bactérie courante et un organisme modèle bien étudié.
« Dans le cas d’E. coli, l’organisme entier est une seule cellule », a déclaré Wytock.
« Elle possède beaucoup moins de gènes qu’une cellule humaine, environ 4 000 gènes contre 20 000. Elle ne possède pas non plus les structures intracellulaires connues pour être à la base de la persistance de l’organisation de l’ADN chez la levure et de la multiplicité des types de cellules chez les organismes supérieurs. Comme E. coli est un organisme modèle bien étudié, nous connaissons assez précisément l’organisation du réseau de régulation des gènes. »
Stress réversible, changement irréversible
L’équipe de recherche a utilisé un modèle mathématique du réseau de régulation pour simuler la désactivation temporaire (et la réactivation ultérieure) de gènes individuels dans E. coli.
Ils ont découvert que ces perturbations transitoires peuvent générer des changements durables, qui devraient être transmis sur plusieurs générations. L’équipe travaille actuellement à la validation de ses simulations dans des expériences en laboratoire en utilisant une variante de CRISPR qui désactive les gènes de manière temporaire plutôt que permanente.
Mais si les changements sont codés dans le réseau régulateur plutôt que dans l’ADN, l’équipe de recherche s’est demandée comment une cellule peut les transmettre à travers les générations.
Ils suggèrent que la perturbation réversible déclenche une réaction en chaîne irréversible au sein du réseau de régulation. Lorsqu’un gène se désactive, il affecte le gène voisin dans le réseau. Lorsque le premier gène est réactivé, la cascade est déjà en marche, car les gènes peuvent former des circuits autonomes qui, une fois activés, deviennent imperméables aux influences extérieures.
« C’est un phénomène de réseau », explique Motter, spécialiste des comportements dynamiques des systèmes complexes. « Les gènes interagissent entre eux. Si vous perturbez un gène, cela affecte les autres. »
Bien que son équipe désactive des gènes pour tester cette hypothèse, Motter est convaincu que différents types de perturbations pourraient provoquer un effet similaire. « Nous aurions également pu modifier l’environnement de la cellule », a-t-il déclaré. « Il pourrait s’agir de la température, de la disponibilité des nutriments ou du pH. »
L’étude suggère également que d’autres organismes possèdent les éléments nécessaires pour présenter une hérédité non génétique. « En biologie, il est dangereux de supposer que quoi que ce soit est universel », soutient Motter. « Mais, intuitivement, je m’attends à ce que l’effet soit commun car le réseau de régulation d’E. coli est similaire ou plus simple que celui que l’on trouve dans d’autres organismes. »
Plus d’informations :
Yi Zhao et al, Irréversibilité dans les réseaux de régulation bactérienne, Progrès scientifiques (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado3232. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado3232
Fourni par l’Université Northwestern
Citation:Les cellules bactériennes transmettent des « souvenirs » à leur progéniture, selon une étude (2024, 28 août) récupéré le 28 août 2024 à partir de
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2024-08-28 21:00:02
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