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Un nouvel arbre du vivant se dessine !

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Edito : Un nouvel arbre du vivant se dessine !

Jeudi, 02/02/2017 - 23:00 0 commentaire
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En 1859, la théorie de l'évolution de Charles Darwin bouleversa la conception que les scientifiques se faisaient de la vie et de sa longue évolution. En 1866, le grand naturaliste allemand Ernst Haeckel (fondateur de l’écologie) proposa son arbre phylogénétique, véritable représentation de l’arbre du vivant avec son tronc principal, symbolisant l'ancêtre commun à tous les organismes vivants, et ses nombreuses branches enchevêtrées, correspondant aux multiples lignées qui avaient conduit aux organismes actuels.

Cet arbre unique, construction conceptuelle remarquable pour l’époque, avait l’ambition de rassembler l'ensemble des organismes vivants connus en trois grands règnes, au lieu des deux règnes définis par la théorie de Linné : les animaux, les végétaux et les protistes, cette dernière « branche » regroupant l'ensemble des organismes unicellulaires, parmi lesquels les amibes, les éponges, les diatomées, et les bactéries. Haeckel, en biologiste avisé, remarqua toutefois que la classification des bactéries posait un sérieux problème scientifique car ces organismes étaient dépourvus de noyau.

Mais la science de la fin du XIXème siècle ne disposait pas des puissants moyens d’analyse nécessaires à l’établissement d’une classification phylogénétique, pouvant rendre compte des degrés de parenté entre les grands groupes d’êtres vivants. La communauté scientifique privilégia donc une classification utilitaire des espèces, c'est-à-dire fondée sur des critères morphologiques (formes) et métaboliques (fonctionnement biochimique)

Il y a 60 ans, le microbiologiste français André Lwoff publia un article resté célèbre dans lequel il défendait l'idée d’une spécificité non réductible des virus dans le grand arbre du vivant. Les biologistes adoptèrent alors la distinction entre trois grands domaines du vivant : les eucaryotes (organismes unicellulaires ou multicellulaires dont les cellules possèdent un noyau), les procaryotes (Organismes dont les cellules n’ont pas de noyau) et les virus.

Mais c’est le grand microbiologiste américain Carl Woese (1928-2012) qui au cours des années 60 parvint à séquencer de nombreux ARN ribosomiques de différents organismes et à établir en 1977 un nouvel arbre phylogénétique de la vie en classant ces organismes par ressemblances. Dans cette nouvelle organisation du vivant, les procaryotes ne constituent plus un groupe unique, mais deux : les archébactéries, à présent appelées archées et les bactéries.

L’idée se fit alors jour en biologie qu’il devait exister une racine commune à cet arbre du vivant. Ce dernier ancêtre commun à tous ces groupes fut baptisé LUCA (Last Universal Common Ancestor) par les biologistes grecs Christos Ouzounis et Nikos Kyrpides en 1994. Dans les années 90, Carl Woese développa son concept de progénote et émis l’hypothèse que les trois grands domaines du vivant, archées, bactéries, et eucaryotes ne correspondaient pas à un organisme précis, mais à une évolution diffuse et réticulaire de la vie.

Travaillant sur des ARN ribosomiques de maïs issus de la mitochondrie et du cytoplasme des cellules, Carl Woese montra de manière rigoureuse que les mitochondries et les chloroplastes étaient des vestiges de bactéries anciennes. Il montra également, autre avancée scientifique majeure, que la cellule eucaryote est de nature chimérique et qu’elle est constituée à la fois d’ADN et d’ARN.

Prolongeant cette découverte considérable, plusieurs biologistes, notamment Ford Doolittle, de l'Université Dalhousie, au Canada, ont découvert,  en comparant les séquences des génomes des chloroplastes et des mitochondries avec celles de leurs bactéries sources et des cellules eucaryotes qui les hébergent, qu'il y a également exportation, vers le noyau des cellules, de nombreux gènes des chloroplastes et des mitochondries. Ces avancées confirmaient la nature intrinsèquement chimérique du génome eucaryote. Biologises et généticiens se sont alors attelés à séquencer de nombreux génomes complets de bactéries et d'archées. Et ils ont eu la surprise de constater qu'il existe beaucoup plus de gènes au niveau de l'espèce qu'au niveau de l'organisme.

Ces observations obligèrent alors les biologistes à admettre que les bactéries intégraient deux types de gènes : des gènes essentiels, qu’on pourrait dire « de structure », jouant un rôle-clé pour la réplication, la transcription et la traduction, et des gènes « versatiles », qu’on pourrait dire « de fonction », qui changent d'un individu à l'autre et contrôlent surtout le métabolisme..

Cette nouvelle avancée a débouché sur deux nouveaux concepts complémentaires : le pangénome, c’est-à-dire l'ensemble de ces gènes changeants et le transfert horizontal, c'est-à-dire les échanges permanents et rapides de gènes entre organismes. Ces échanges très nombreux de gènes pourraient également expliquer comment la vie a pu apparaître et se développer il y a au moins 3,7 milliards d'années, c’est-à-dire peu de temps, à l’échelle géologique, après la formation de Terre.

Mais pour que puissent se réaliser ces innombrables et incessants transferts horizontaux de gènes entre organismes, il fallait l’intervention-clé d’un nouvel acteur : les virus. Ces derniers, que la science croyait il y a encore vingt ans relativement bien connaître, se sont révélés bien plus variés, complexes et imprévisibles que prévu. En 2003, des chercheurs français du CNRS ont ainsi découvert dans le système de climatisation de l'hôpital de Bradford un virus gigantesque, d’une taille d’environ un micron, capable d’infecter des amibes. Ce nouveau géant a été baptisé Mimivirus (Mimicking Microbe Virus, ou "virus imitant un microbe")...

Le génome de Mimivirus compte plus d’un millier de gènes (plus que certaines bactéries) mais surtout, il compte neuf gènes communs à tous les gros virus à ADN, ce qui confirme l’hypothèse d'un ancêtre unique remontant à plusieurs milliards d’années. En 2013, des scientifiques du laboratoire Information génomique et structurale (CNRS/Université Aix-Marseille), associés au laboratoire Biologie à Grande Échelle (CEA/Inserm/Université Grenoble Alpes), ont découvert deux virus géants. Le premier, Pandoravirus salinus, à l'embouchure de la rivière Tunquen au Chili et le second, Pandoravirus dulcis, au fond d'un étang d'eau douce près de Melbourne, en Australie.

Ces Pandoravirus sont fascinants car il s’agit d’organismes radicalement différents des autres virus connus, mais également des virus géants déjà identifiés. Fait remarquable, ces deux nouveaux Pandoravirus, avec respectivement 1502 et 2556 gènes, ont un matériel génétique plus important que certaines bactéries et que certaines cellules d'organismes complexes.

En 2016, des chercheurs de l'unité de recherche sur les maladies infectieuses tropicales émergentes (Aix-Marseille Université / CNRS / IRD / INSERM) ont conforté cette spécificité des virus dans l’arbre du vivant en faisant une nouvelle découverte majeure : les virus géants possèdent un système de défense capable d'empêcher l'infection de ces derniers par des virophages, c’est-à-dire des virus capables d'infecter d'autres virus. Pour la première fois, la preuve est faite qu'un virus peut posséder, contre toute attente, un véritable système immunitaire de défense contre un autre virus.

Jusqu’à ces découvertes fondamentales et surprenantes, les virus n’étaient pas considérés comme des êtres vivants à part entière, car il était admis qu’ils ne possédaient pas la capacité de se reproduire par eux-mêmes. Mais avec les découvertes successives de ces nouveaux virus tout à fait hors normes, les biologistes ont été conduits à former l’hypothèse que les virus avaient fort bien pu échanger des gènes avec d’autres types d’organismes dans un lointain passé. Et c’est précisément ce qu’a montré en 2015 une équipe américaine de l’Université de l’Illinois (Voir Science Advances), en étudiant la structure spatiale des protéines produites par ces virus atypiques.

Ces chercheurs ont en effet découvert que si les cellules et ces virus partagent 442 types de domaines structuraux de protéines, 66 n'appartiennent qu'aux virus. L’explication la plus plausible est que ces 66 domaines de protéines proviennent de leur ancêtre commun. Et en utilisant des outils de génétique statistique, ces scientifiques ont réussi à estimer que ce « virus-ancêtre » commun remontait à 2,45 milliards d'années.

Toutes ces récentes recherches et découvertes conduisent, de manière convergente, à deux bouleversements scientifiques et conceptuels majeurs : d’une part, les virus peuvent à présent être considérés comme des êtres vivants formant un quatrième domaine dans le nouvel arbre de la vie qui émerge. D’autre part, les virus proviendraient d’organismes unicellulaires qui, au lieu de suivre le mécanisme classique et dominant de l'évolution, conduisant à une complexification croissante, auraient de manière tout à fait surprenante une voie inverse, celle de l’évolution réductive, allant du complexe vers le simple.

Ainsi commence à émerger un nouveau paysage du vivant infiniment plus riche et complexe que ce qu’on pouvait imaginer il y a seulement quelques années. Certes, il existe bien une cohérence théorique et scientifique à distinguer quatre grands domaines du vivant, archées, bactéries, eucaryotes et virus. Mais au-delà de cette nécessaire refonte de la classification des êtres vivants et des espèces, se révèle une unité et une solidarité irréductibles et profondes de la vie et des organismes et espèces qui la composent. Cette unité s’exprime au travers d’une organisation spatiale et temporelle buissonnante et pas seulement verticale et hiérarchique ; elle résulte d’un prodigieux polymorphisme de l’évolution, capable d’inventer et utiliser simultanément de nombreux mécanismes d’une grande subtilité.

Elargissant et enrichissant la théorie de l’évolution du génial Charles Darwin, le grand biologiste Stephen Jay Gould avait déjà magistralement montré que cette évolution du vivant et l’apparition de nouvelles espèces ne se faisaient pas obligatoirement sur de longues périodes et pouvaient également s’accélérer et s’effectuer par "bonds", de façon ponctuelle. La fascinante histoire des virus nous montre à présent que l’évolution de la vie peut prendre les chemins les plus inattendus et que le vivant n‘est pas prêt de se laisser circonscrire dans une approche théorique ou une définition unique et définitive…

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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