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Les méthodes d’un pathogène dirigeable
Notre histoire commence lors d’une douce soirée d’hiver. Jonathan, jeune biologiste en pleines révisions, est affalé dans son fauteuil et ses yeux louchent sur les flammes du feu de cheminée. En bruit de fond, Les Temps Modernes passe à la télé. En plus d’être un film de son idole, c’est enfin une excuse pour s’échapper quelques instants de ses fiches. Dans une rêverie mêlée d’épuisement, se forment des images liant l’usine des Temps modernes et les mécanismes de survie des bactéries. Et sans s’en rendre compte, le voilà perdu dans un dialogue fort enrichissant avec son ami Charlot.
“Tu vois mon Charlot, se dit Jonathan, j’ai bien compris que Campylobacter jejuni, ou Campy pour les intimes, est une petite bactérie au nom barbare qui a la mauvaise manie de nous rendre malades…
Pour cela, Campy infecte tout d’abord un premier organisme, comme la poule. Elle s’y installe et s’y développe. La poule devient alors l’hôte des bactéries. Et si par malheur nous mangeons ces poulets porteurs, nous ingérons également Campy* !
*Sous condition que le poulet, soumis aux normes en vigueur dans l’UE, ne soit pas assez cuit
Nous devenons son second organisme hôte : elle se développe dans nos intestins, perturbe notre flore, et finit par nous rendre malades. Mais c’est la que ça coince… Comment font ces bactéries pour déjouer les défenses de deux organismes aussi différents qu’une poule et un humain?
– Eh bien mon bon Jonathan, répond Charlot, nos championnes déjouent les systèmes immunitaires de deux hôtes successifs grâce à des mécanismes ingénieux qui favorisent l’apparition de bactéries résistantes. Figure-toi mon ami, qu’elles mutent, c’est à dire que leur séquence d’ADN est modifiée. Certaines de ces mutations leur permettent d’être mieux armées face à ces environnements peu accueillants !
Pour commencer, il faut savoir que notre ADN mais également celui des bactéries, constitue le support de l’information génétique, notre “mode d’emploi”, et qu’il est composé de gènes pouvant coder ce que l’on nomme les protéines. Mais attention ! Il faut garder à l’esprit que les gènes ne représentent pas toute la séquence de notre ADN mais seulement une petite partie.
Au début d’un gène, il y a un petit fragment de l’ADN appelé promoteur qui fonctionne un peu comme un interrupteur. Tu vois, tous les gènes ne sont pas forcément actifs en permanence ! Le promoteur permet ainsi de les activer.
Du coup Johnny, imagine qu’un gène soit comme une chaîne de production, composée d’une suite d’engrenages, qui, quand elle est activée, donne un produit fini. Le promoteur c’est moi, Charlot, l’ouvrier qui appuie sur l’interrupteur pour activer la chaîne !
Tu comprends bien que pour modifier la production, il est plus efficace de faire varier mes actions que de détruire et reconstruire une chaîne de montage ! On peut me réguler [cf. Le Manque de fer, quelle affaire], mais on peut aussi me faire subir des mutations qui me permettent parfois d’être choisi à la place d’un autre ouvrier. Voyons les stratégies qui permettent d’activer ou de réprimer un gène en mode ON/OFF:”
Première stratégie: “la tête à l’envers” ou l’inversion
“Le travail à la chaîne, ça met la tête à l’envers! Les chefs de production changent régulièrement d’avis : un coup tu travailles, un coup tu travailles pas… Un coup sur telle chaîne, un coup sur l’autre, un coup à l’endroit, un coup à l’envers…
Et c’est pas tout! Tu vois l’usine dans laquelle je travaille? Eh bien elle est spécialisée dans la fabrication de mobylettes. Sauf qu’avec la concurrence et le temps qui passe, nos mobylettes deviennent vite has been et l’entreprise perd de l’argent… Une fois j’ai même cru qu’on allait mettre la clef sous la porte !
Quand ça arrive, le chef de production me fait changer de chaîne de montage. Par exemple en ce moment j’assure la production de structures métalliques de dirigeables.
Mine de rien, ça fait le buzz ce gros machin. Tu lèves les yeux et t’en vois partout! Grâce à eux l’entreprise s’en sort, et même plutôt bien !
Dans la cellule, on appelle ce phénomène “inversion”. Les chefs de production ce sont les “recombinases”, des protéines “couper/coller” qui remodèlent l’ADN. Elles repèrent des séquences identiques dans l’ADN et coupent à ces endroits. Cela leur permet de retirer des séquences plus ou moins longues d’ADN et de les recoller, mais pas toujours dans le bon sens ! C’est à ce moment là qu’on parle d’inversion.
Du coup, le promoteur se retrouve dans le mauvais sens par rapport au gène dont il contrôle la production. Parfois, en se retournant il se retrouve en bonne position pour activer un autre gène et hop, changement de production !
Campy utilise ce stratagème pour s’adapter à ses hôtes changeants; en fonction des protéines qu’elle produit, elle pourra survivre dans la poule ou alors chez l’humain.
– Attends, t’es en train de me dire que les bactéries qui nous rendent malades vont jusqu’à modifier leur ADN pour survivre dans notre corps? Mais c’est génial !
– T’as vu un peu! Et si l’activation de nouveaux gènes lui confère un avantage dans son nouvel environnement, alors elle va la conserver. Les prochaines générations de bactéries auront donc aussi cet avantage et pourront survivre dans leur milieu.
Bien sûr, dans la bactérie, cette inversion se fait de manière aléatoire et rare, mais si tu réfléchis au fait qu’elles sont des millions, alors il y a plus de chances d’en trouver une qui aura subi une inversion qui lui permettra de survivre. On parle de caractère “sélectionné” car l’activation de ces gènes a permis à la bactérie de survivre dans un environnement hostile, c’est un “avantage évolutif“ comme on dit.
Et rappelle-toi que ce n’est pas propre aux promoteurs ! Les gènes aussi peuvent être la cible de la recombinase et être inversés, plaçant l’un ou l’autre sous le contrôle d’un promoteur qui permet de l’exprimer. Les deux gènes déplacés auront ainsi une expression différente en fonction de leur position.”
Seconde stratégie: “Le grain de sable de l’architecte”
“Eh, tu sais pas la dernière ! Tu te souviens des dirigeables ultra rapides dont je t’ai parlé ? C’est devenu LE moyen de transport à avoir pour ne pas être en retard avec son temps, si bien qu’on doit augmenter leur fabrication et construire de nouvelles usines: c’est la réplication !
Il faut donc embaucher un architecte pour diriger les travaux de construction. Grâce à son travail, la recette secrète du dirigeable des temps modernes est bien gardée !
Mais c’est pas si facile crois-moi… Pour chaque nouveau chantier de construction, l’architecte doit recopier les plans de l’usine. Si tu voyais le truc: les chaînes de production ont de longues suites d’engrenages identiques, c’est un vrai travail de fourmi de les recopier. Vue la complexité des engrenages, pas étonnant qu’il se trompe parfois !
Quand ça arrive, nos dirigeables hyper hype, ils sont fichus!
Après ne t’en fais pas, on n’embauche pas n’importe qui à l’usine. Notre architecte est quand même compétent, ces erreurs sont très rares, elles apparaissent à peu près une fois par million de réplication.
En jargon Campy, cet architecte est une “polymérase”: son rôle est de recopier les séquences d’ADN pour pouvoir les transmettre à la prochaine génération de bactéries. Mais, tu t’en doutes bien, les gènes ne sont pas si simples à recopier. Ils contiennent des petites séquences identiques présentes plusieurs fois à la suite, les microsatellites. La polymérase, telle un architecte épuisé, peut par accident ajouter ou retirer des morceaux de gène. Cela change complètement la séquence et donc l’expression du gène, pouvant aller jusqu’à le rendre inactif !”
Bilan: Campy percée à jour
“Alors c’est bon, t’as compris?
– Ouais je crois bien que c’est bon, laisse moi reformuler:
Par des changements d’engrenages dans les chaînes de production, l’usine peut changer de produit final. Si ce changement donne un avantage à l’usine sur le marché des transports et augmente les ventes, il est conservé ! L’entreprise est donc adaptée à son environnement, qui est le marché, et continue à prospérer.
C’est pareil pour Campy: elle aussi possède ses stratégies de survie. L’une d’entre elles implique les recombinases qui font varier l’expression des gènes. Les protéines produites sont donc différentes et cela va modifier les propriétés de la bactérie. Cela lui confère une certaine plasticité et lui permet de survivre dans son environnement en constante évolution. Elle peut ainsi échapper aux différents systèmes de protection de ses hôtes, qui constituent des environnements changeant. Les bactéries ayant un ou plusieurs avantages sont donc plus adaptées à leur environnement, survivent mieux et ont plus de chances de se reproduire que les autres bactéries. Quand elles le font, la polymérase permet de répliquer leur ADN et de faire en sorte qu’il soit transmis de la bactérie mère aux bactéries filles, avec une possibilité d’erreurs. Cet avantage sera donc conservé au fil des générations, et on aura de plus en plus de bactéries avec cette adaptation. Cela se fait au détriment des autres bactéries, qui n’ont pas cet avantage, et qui pourront moins bien se reproduire et finiront par s’éteindre… C’est le principe de la sélection naturelle!
– C’est bien Johnny, maintenant t’as plus qu’à assurer à l’examen!”
Notre cher Jonathan peut alors sortir de ses rêveries, poser son tas de feuilles et profiter d’une bonne soirée de repos bien méritée ! Son cours, il le connaît, et grâce à son héros, il n’est pas prêt de l’oublier. Le voilà sans crainte à l’approche de l’examen, un QCM sur les mécanismes de survie de Campylobacter jejuni… Et vous, êtes-vous prêt?
Le dénouement final : l’examen
Bravo à Jonathan qui a réussi son examen et merci à Charlie Chaplin pour son humour intemporel !
Les sources, ou comment avoir 20/20 à l’examen :
Recherches desquelles s’est inspiré Charlot :
- Phase Variation, University of Leicester
Sur le web en général :
- Comment faire apparaître et disparaître les engrenages de l’ADN
- Un beau résumé signé wikipedia
Et quelques articles scientifiques pour les initiés les plus curieux :
- Le fonctionnement des switch ON↔️OFF de manière globale
Henderson, Ian R., Peter Owen, and James P. Nataro. “Molecular Switches – the ON and OFF of Bacterial Phase Variation.” Molecular Microbiology 33, no. 5 (1999): 919–32. https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.1999.01555.x
- Les variations de phase pour lutter contre notre système immunitaire
Bikard, David, and Luciano A Marraffini. “Innate and Adaptive Immunity in Bacteria: Mechanisms of Programmed Genetic Variation to Fight Bacteriophages.” Current Opinion in Immunology 24, no. 1 (2012): 15–20. https://doi.org/10.1016/j.coi.2011.10.005
- Maintenant c’est pour lutter contre les phages
Seed, Kimberley D. “Battling Phages: How Bacteria Defend against Viral Attack.” PLOS Pathogens 11, no. 6 (November 2015). https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004847
- Et ici une comparaison entre bactéries pathogènes et commensales
Bayliss, Christopher D. “Determinants of Phase Variation Rate and the Fitness Implications of Differing Rates for Bacterial Pathogens and Commensals.” FEMS Microbiology Reviews 33, no. 3 (2009): 504–20. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2009.00162.x