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Les caprices de l'évolution: la découverte d'un organisme vivant sans oxygène



La flore et la faune de notre planète sont incroyablement riches en une grande variété d'organismes, chacun ayant ses propres caractéristiques uniques. Néanmoins, malgré le nombre infini de différences, il existe toujours des règles évolutives communes à tous. L'une de ces règles est le besoin d'oxygène. Bien sûr, les champignons, les amibes ou les ciliés au fil du temps ont perdu la capacité de respirer, mais ce ne sont que des exceptions qui confirment la règle. Auparavant, on pensait que la respiration aérobie était inhérente à toutes les espèces d'animaux, mais ce n'est pas entièrement vrai. Des scientifiques de l'Université de Tel Aviv (Israël) ont fait une découverte étonnante - le parasite Henneguya salminicolaqui vit dans le tissu musculaire du saumon, qui n'a pas besoin d'oxygène. Quelles informations ont été obtenues lors de l'étude de la nouvelle espèce et quelles différences ont été trouvées dans ses informations génétiques? Nous en apprenons sur le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude


Toute caractéristique d'un organisme vivant peut être associée à son environnement et aux conditions dans lesquelles son évolution a eu lieu. La respiration aérobie est le point d'intersection de nombreuses espèces eucaryotes, mais il existe plusieurs lignées unicellulaires qui ont perdu cette capacité en raison de leur habitat dans un environnement hypoxique.

Si l'on considère les organismes des créatures aérobies en termes de cellules, mais le plus important est les mitochondries. Cet organite sphérique ou ellipsoïdal à deux chaînons d'un diamètre de l'ordre de 1 μm est une sorte de centrale électrique, réalisant l'oxydation des composés organiques. En conséquence, de l'énergie est générée, qui est ensuite utilisée pour générer un potentiel électrique, la thermogenèse et la synthèse d'adénosine triphosphate (ATP, une source d'énergie pour les processus biochimiques).

S'il n'y a pas d'oxygène dans l'habitat et que le corps a évolué pour s'en passer, alors les mitochondries perdent partiellement ou complètement leur génome, se transformant en organites de type mitochondries (MRO, organites apparentés aux mitochondries ).

Les chercheurs notent que la question de la présence de ces MRO chez les animaux a longtemps suscité la controverse dans la communauté scientifique. Certains considéraient cela impossible, tandis que d'autres étaient convaincus du contraire, mais n'avaient pas de preuves matérielles de leurs théories. Cependant, avec l'ouverture de Henneguya salminicola, le débat ne sera pas si acharné.


Image n ° 1: relations phylogénétiques des eucaryotes dérivés de la supermatrix à partir de 9490 positions d'acides aminés pour 78 espèces. Les espèces qui ont perdu la respiration aérobie sont marquées en gras et avec un astérisque.

L'une des principales différences entre le MRO et les mitochondries conventionnelles est l'absence dans les premières crêtes * , qui sont remplacées par des hydrogénosomes * et des mitosomes * .
Krista * - plis de la membrane interne des mitochondries.
Hydrogénosomes * - organite à membrane fermée de certains organismes unicellulaires anaérobies (n'utilisant pas d'oxygène), tels que les ciliés, les trichomonas et les champignons.
Mitosomes * - organites de certains organismes unicellulaires anaérobies (n'utilisant pas d'oxygène). Très probablement, les mitosomes sont impliqués dans la synthèse des amas Fe - S (fer-soufre), cependant, les données sur ces organites sont encore rares.
Dans l'étude que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques ont démontré que le parasite myxosique ( Cnidaria ) au cours de l'évolution avait perdu à la fois son génome mitochondrial et ses voies métaboliques aérobies, les remplaçant par un nouveau type de MRO anaérobie.

Les principaux sujets expérimentaux de cette étude étaient des représentants des myxozoaires (myxozoïques), une classe d'invertébrés parasites de type rampant ( Cnidaria ). Les mitochondries myxozoaires ont des structures génomiques très différentes, avec de grands chromosomes mitochondriaux en anneaux en plusieurs parties et des taux d'évolution inhabituellement élevés. Deux espèces étroitement apparentées ont été sélectionnées pour l'analyse - Henneguya salminicola et Myxobolus squamalisqui parasitent tous les deux chez les salmonidés.

Résultats de recherche


Avant l'analyse proprement dite, les transcriptomes et les génomes des deux espèces ont été collectés. Des analyses phylogénétiques basées sur 78 gènes codant pour une protéine ribosomale nucléaire dans des taxons représentant la diversité eucaryote ont confirmé que les organismes qui ont été séquencés sont des myxozoaires étroitement apparentés.

L'évaluation de la qualité d'assemblage du génome a montré que H. salminicola a un assemblage plus complet avec une couverture plus élevée et des séquences protéiques plus prévisibles que M. squamalis (tableau n ° 1).


Tableau n ° 1: évaluation de la qualité de l'assemblage du génome des espèces étudiées et représentatives.

Des recherches ciblées dans les génomes ont identifié 75/78 gènes de protéines ribosomales nucléaires, suggérant que l'exhaustivité est> 90% pour les deux espèces. Cependant, les estimations de l'exhaustivité du génome à l'aide de la méthode de base de cartographie des gènes eucaryotes (CEGMA) n'ont donné que 53,6% des principaux gènes eucaryotes pour H. salminicola et 37,5% pour M. squamalis .

Les scientifiques ont suggéré que c'est le taux élevé d'évolution qui a réduit la capacité de détecter de nombreux gènes eucaryotes communs.

L'analyse du génome mitochondrial (ci-après mt ) a montré des différences frappantes entre les deux espèces considérées. Le génome circulaire mt a été restauré avec succès pour M. squamalis, composé d'un chromosome qui, selon l'analyse phylogénétique, était mixozoaire. Comme dans d'autres espèces myxozoïques, les ARNt étaient absents dans le génome mt de M. squamalis , et le taux de leur évolution était assez élevé.

La situation avec H. salminicola était l'inverse, car il n'a pas été possible d'identifier la séquence mt , malgré la qualité encore plus élevée de cet assemblage par rapport à M. squamalis .

De plus, pour déterminer la présence / absence d'ADN dans les mitochondries myxozoïques, les scientifiques ont coloré les stades de développement multicellulaires vivants de M. squamalis et H. salminicola en utilisant le DAPI (colorant fluorescent 4 ', 6-diamidino-2-phénylindole).


Image 2: Images microscopiques montrant l'absence de mitochondries chez H. salminicola. Les

cellules de M. squamalis ont montré une coloration eucaryote caractéristique des noyaux et des mitochondries ( 2A ), tandis que H. salminicola n'a montré qu'une coloration nucléaire ( 2B ).

Les résultats microscopiques ont confirmé que le génome mt est absent chez H. salminicola . Cependant, des organites à deux membranes semblables à des mitochondries avec des crêtes ont également été détectés chez H. salminicola ( 2C ) et même chez M. squamalis. En conséquence, des gènes impliqués dans l'organisation des crêtes ont également été trouvés dans le génome des deux espèces, en particulier DNAJC11 et MTX1.

La totalité de ces données confirme que les espèces examinées présentent une MRO sans le génome des mitochondries, mais il y a des crêtes.

Les chercheurs rappellent que chez les animaux, la plupart des mitochondries du protéome * sont codées dans le noyau.
Protéome * - un ensemble de protéines qui sont exprimées par un génome, une cellule, un tissu ou un organisme à un moment précis.
Dans cet esprit , 51 gènes ont été identifiés chez H. salminicola et 57 gènes chez M. squamalis impliqués dans les voies métaboliques clés des mitochondries (par exemple, le métabolisme des acides aminés, des glucides ou des nucléotides).


Image 3: Comparaison entre les voies présentes dans les mitochondries aérobies typiques ( A ) et H. salminicola MRO ( B ).

Cela suggère que le MRO de H. salminicola remplit toujours une variété de fonctions métaboliques similaires aux mitochondries de M. squamalis .

En revanche, presque toutes les protéines codées nucléaires impliquées dans la réplication et la traduction du génome mt étaient absentes dans le génome de H. salminicola. En utilisant la base de données 118 de ces gènes codés nucléaires de la drosophile (mouche des fruits), capables de déterminer de 41 à 58 gènes homologues mt chez M. squamalis , mais seulement six de ces gènes ont été trouvés chez H. salminicola .

Il convient de noter que l'ADN polymérase gamma-1 du gène mt chez l'espèce H. salminicola est un pseudogène car elle contient trois mutations ponctuelles qui créent des codons d'arrêt prématurés * .
Stop codon * - une unité du code génétique codant pour l'arrêt de la traduction (synthèse de la chaîne polypeptidique).
De plus, ce gène n'est pas exprimé dans H. salminicola et n'est pas présent dans l' assemblage du transcriptome de H. salminicola , alors que des contigs homologues * ont été identifiés dans tous les autres transcriptomes myxozoïques * .
Kontig * est un groupe de plusieurs sections d'ADN connectées en série.
La présence d'une copie pseudogène de cette polymérase est la preuve de plusieurs théories et observations précédemment exprimées. Tout d'abord, cela confirme la théorie selon laquelle H. salminicola a perdu son ADN mt parce qu'il n'a pas de mécanisme pour sa réplication. Deuxièmement, cela prouve que l'absence d'homologues protéiques chez cette espèce est le résultat d'une pseudogénisation, et non d'une erreur d'assemblage.

Naturellement, la perte du génome mitochondrial a un effet direct sur le format respiratoire du corps, car les mitochondries animales codent pour d'importantes protéines de la chaîne de transfert d'électrons. Vérifier si la perte du génome mt signifiait une perte de respiration aérobie chez H. salminicola, les scientifiques ont commencé à rechercher des homologues des gènes nucléaires connus de la drosophile, qui codent généralement pour environ 100 protéines de complexes de chaîne de transport d'électrons mt .

Une recherche n'a révélé que sept de ces protéines chez H. salminicola , tandis que l'autre myxozoïque avait environ 18-25 ans. En particulier, tous les complexes géniques (I, III et IV) détectés chez d'autres espèces myxozoïques sont absents chez H. salminicola ( 3B ) ou présentés comme pseudogènes.

Étant donné que le complexe IV interagit avec les molécules d'O 2 , cela peut signifier que H. salminicola peut être incapable de respirer aérobie cellulaire standard.

En plus des complexes I, III et IV, qui sont responsables du passage des protons dans l'espace intermembranaire mitochondrial, aucun complexe V responsable de la synthèse d'ATP n'a été détecté chez H. salminicola .

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue


Dans cette étude, les premières données ont été collectées concernant les caractéristiques génétiques d'une créature capable, apparemment, de vivre sans avoir besoin de respiration aérobie. Ce qui était auparavant considéré comme faisant partie intégrante du monde animal n'était pas si important pour certains de ses représentants.

Les auteurs de cette découverte notent que généralement l'évolution passe du simple au complexe, mais dans le cas de H. salminicola la situation inverse est observée. La vie dans un environnement sans oxygène a forcé cet organisme à perdre les gènes les plus inutiles responsables de la respiration aérobie, ce qui en a fait un organisme plus simple.

Bien sûr, on ne sait pas exactement comment s'est déroulée l'évolution de l'organisme parasite de l'espèce H. salminicola.quelles circonstances l'ont forcé à perdre ses mitochondries et à abandonner l'oxygène et pourquoi exactement une telle variante de changements s'est produite. Les scientifiques ont l'intention de tenir compte de ces questions dans leurs futures recherches.

Quoi qu'il en soit, cette découverte est vraiment unique, car elle confirme une fois de plus que la nature a encore de quoi nous surprendre. Les lois et les normes généralement acceptées qui étaient auparavant considérées comme inébranlables sont violées dans de rares cas. D'une part, c'est surprenant, d'autre part, c'est assez attendu. Après tout, que pouvez-vous attendre d'autre de l'évolution qui, à partir d'un bouillon primaire chaotique, a créé une flore et une faune si complexes et magnifiques qui nous entourent tous les jours.

Merci de votre attention, restez curieux et passez un bon week-end à tous, les gars! :)

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