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Endosymbiose

L’endosymbiose

spécial : l'histoire de la vie - 01/03/1997 par Marc-André Selosse, Susan Loiseaux-de Goër dans mensuel n°296 à la page 36

Grâce à leurs mitochondries, les cellules à noyau respirent. Une faculté qu'elles auraient acquise au cours du Précambrien, après qu'un eucaryote primitif eut phagocyté une bactérie utilisatrice d'oxygène. De cette rencontre est née une association durable, l'endosymbiose, dont on connaît de nombreux exemples actuels. Au cours de l'évolution, ces événements d'endosymbiose se sont répétés par vagues successives. Les végétaux ont aussi acquis leurs plastes, et du même coup la capacité d'effectuer la photosynthèse.

On sait, depuis le XIXe siècle, que les organismes vivants sont tous constitués de cellules. Toutefois, ces cellules ont des structures très variées selon les espèces. Les apports de la microscopie optique permirent de distinguer deux grands types d'organismes : les procaryotes et les eucaryotes. Chez les procaryotes, tels que les bactéries, il n'existe presque jamais de compartiments délimités à l'intérieur des cellules et toutes les fonctions s'opèrent dans un cytoplasme unique, plus ou moins subdivisé. Leur matériel génétique, l'ADN, se trouve directement dans le cytoplasme. Au contraire, les cellules eucaryotes comportent de nombreux compartiments internes ou organites qui sont séparés du cytoplasme ambiant par des membranes semblables à celle entourant la cellule, la membrane plasmique fig. 1I. La cellule eucaryote se distingue aussi par un réseau protéique, le cytosquelette, qui positionne et déplace les organites dans la cellule. Les végétaux, les champignons et les animaux sont des eucaryotes. Leur ADN est compartimenté dans l'un des organites, le noyau. Outre le réticulum* et le Golgi* qui interviennent dans la synthèse de certaines protéines, deux autres compartiments de la cellule eucaryote jouent un rôle capital, car ils fournissent de l'énergie à la cellule. Ce sont les mitochondries du grec mitos , filament, et khondros , grain, responsables de la respiration cellulaire, et les plastes* des végétaux où se déroule la photosynthèse, la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimiqueII.

Certains organites peuvent disparaître et se reformer : c'est le cas du noyau lors de la division cellulaire, du Golgi et du réticulum... Mais les mitochondries et les plastes proviennent, eux, toujours de la division de mitochondries ou de plastes préexistants. A la fin du siècle dernier, déjà, cette particularité fait penser à des bactéries se divisant par bipartition* dans le cytoplasme. Mitochondries et plastes étaient-ils donc des organismes vivants, installés en symbiose* dans la cellule ? Dès 1883, le chercheur allemand A. Schimper notait : « S 'il est définitivement établi que les plastes ne sont pas formés de novo dans la cellule oeuf, alors leur situation dans la cellule où ils se trouvent rappelle celle de symbiontes * . Peut-être une plante verte n'est-elle que l'union entre un organisme incolore et un microbe possédant les pigments chlorophylliens 1 » . D'autres auteurs lui emboîtèrent le pas au début du XXe siècle : hélas ! ils se heurtèrent à l'incrédulité de leurs pairs...! Il en fut comme de la « dérive des continents » d'Alfred Wegener : les arguments proposés ne suffirent pas à étayer cette intuition. En particu-lier toutes les tentatives d'isolement et de culture in vitro du « microbe vert » échouèrent... Plusieurs auteurs propo-sèrent pour ces organites une origine « autogène », à partir de replis de la membrane plasmique. Les progrès de la biologie allaient fournir d'autres arguments à l'idée selon laquelle mitochondries et plastes dérivent de bactéries.

La microscopie électronique montra que les organites des eucaryotes sont limités par une membrane lipidique simple, sauf trois d'entre eux : le noyau, entouré de deux membranes percées de pores qui le mettent en continuité avec le cytoplasme, et les plastes et les mitochondries qui sont séparés du cytoplasme par deux membranes continues. De plus, la structure fine de ces deux derniers organites évoque celle de certaines bactéries. Par exemple, les membranes photosynthétiques ou « thylakoïdes » des plastes de certaines algues, les algues rouges, évoquent fortement les thylakoïdes de bactéries photosynthétiques, les cyanobactéries fig. 2.

Le développement de la biochimie démontra d'autres ressemblances frappantes. Les lipides des membranes entourant les mitochondries existent chez certaines bactéries, mais pas ailleurs dans la cellule eucaryote. Quant aux lipides caractéristiques des membranes des plastes, on les retrouve chez les cyanobactéries2. De plus, mitochondries et plastes remplissent des fonctions méta-boliques qu'accomplissent aussi certains procaryotes libres. La photosynthèse s'opère de façon quasi identique dans les cyanobactéries et les plastes. Les réactions d'oxydoréduction liées à l'activité éner-gétique des mitochondries et des plastes font intervenir des « chaînes de transfert d'électrons » membranaires semblables à celles des procaryotes : des complexes protéiques homologues y prennent part, tels que les cytochromesII.

Mais l'argument majeur fut la mise en évidence d'un génome dans les plastes en 1962, puis dans les mitochondries l'année suivante3. Cet ADN ressemble à celui des procaryotes : il n'est pas isolé au sein de l'organite et se présente sous la forme de plusieurs copies identiques d'une molécule circulaire. L'ADN est dupliqué et transmis lors de la bipartition de l'organite, comme dans le cas des procaryotes libres. Il existe des ribosomes dans les mitochondries et les plastes, qui participent à la synthèse de protéines et sont plus petits que ceux du cytoplasme de la cellule : ils ont en fait la taille et la composition en ARN de ribosomes de procaryotes !

Pour toutes ces raisons, l'hypothèse de l'origine symbiotique des mitochondries et des plastes retrouva des adeptes dans les années 1970, tels que Lynn Margulis de l'université d'Amherst Massachusetts et Sarah P. Gibbs de l'université McGill à Montréal4,5III. La biologie moléculaire souligna encore par la suite la parenté de ces organites avec les pro-caryotes. Les gènes portés par l'ADN de ces organites ont la même structure que ceux des procaryotes. C'est le cas, par exemple, des zones promotrices des gènes, c'est- à-dire des séquences reconnues par les protéines assurant leur transcription en ARN. On découvre aujourd'hui des gènes homologues qui ont la même origine évolutive de gènes bactériens dans le génome des mitochondries ou des plastes6. On peut s'étonner de trouver des bactéries dans le cytoplasme d'eucaryotes. En fait, un tel mode de vie n'est pas rare chez les eucaryotes : on parle d'endosymbiose* pour le désigner. Ce mode de vie est celui de certains agents pathogènes, comme la bactérie responsable de la listériose ou de la fièvre typhoïde.

Mais aussi celui de nombreux animaux unicellulaires, les protozoaires, qui sont colonisés par des bactéries variées. Kwang W. Jeon, de l'université du Tennessee, décrit l'apparition d'une endosymbiose chez des amibes, suite à une infection bactérienne qui décima en 1966 une culture de laboratoire7. Quelques amibes survécurent à la présence de bactéries dans leur cytoplasme : vingt ans plus tard, elles en contiennent encore 42 000 par cellule. Bien plus, cette association est devenue obligatoire ! Les amibes ne peuvent plus survivre si l'on tue leurs compagnons cytoplasmiques en augmentant la tem-pérature. Autre exemple classique : les plantes de la famille des légumineuses trèfle, pois... possèdent sur leurs racines des nodules, dont les cellules abritent des bactéries du genre Rhizobium . Venues du sol, elles aident la plante à se nourrir en fixant l'azote atmosphérique.

Ces bactéries intracellulaires sont toujours entourées par deux membranes : la membrane interne, qui est celle de la bactérie, et la membrane externe issue de la membrane plasmique de l'hôte, qui entoure la bactérie lors de sa pénétration dans la cellule. Toutefois, l'origine de la membrane externe des mitochondries et des plastes reste discutée dans le cas des plastes, elle comprend des lipides de type procaryote et serait d'origine mixte.

Combien d'événements d'endosymbiose ont eu lieu au cours de l'évolution ? Quels sont les procaryotes actuels les plus proches de ceux qui vivent en endosymbiose ? La biologie moléculaire peut commencer à répondre, grâce à la comparaison des gènes des organites avec les gènes homologues des procaryotes. Les séquences des gènes sont alignées puis comparées visuellement ou grâce à des programmes informatiques qui font ressortir les parentés sous forme d'arbres phylogénétiques. On peut ainsi déterminer que les mitochondries forment un groupe homogène : elles descendraient toutes d'une bactérie ancestrale unique. On pense qu'un seul événement d'endosymbiose s'est produit chez un ancêtre de la majorité des eucaryotes actuels.

On connaît encore actuellement des descendants directs de ces eucaryotes primitifs, tel le parasite intestinal Giardia voir l'encadré « Des eucaryotes primitifs ? ». Des travaux récents indi-quent que l'ancêtre des mitochondries est voisin d'un groupe de bactéries utilisatrices d'oxygène qui comprend notamment l'agent de la fièvre typhoïde, Rickettsia, et plusieurs bactéries symbiotiques d'arthropodes8IV. Les bactéries de ce groupe partagent divers caractères communs avec les mitochondries, comme la vie intracellulaire obligatoire, l'utilisation d'oxygène et la production, par une voie métabolique appelée cycle de Krebs, d'une petite molécule de transfert d'énergie : l'ATP adénosine triphosphate fig. 3.

L'acquisition des mitochondries se serait produite il y a 2 à 3 milliards d'années, au cours du Précambrien, et constitue une étape majeure pour les eucaryotes. Elle marque l'acquisition de la respiration cellulaire : sans mitochondries, la cellule eucaryote ne peut utiliser l'oxygène pour oxyder les sucres et produire son énergie. Il est même possi-ble que les eucaryotes primitifs aient été sensibles à l'oxygène, comme le sont actuellement les eucaryotes privés de mitochondries voir l'encadré « Des eucaryotes primitifs ? ». Les premières mitochondries, en consommant l'oxygène, pourraient avoir eu un rôle protecteur pour les cellules qui les abritaient : l'oxygène génère des dérivés toxiques pour les cellules qui ne possèdent pas les enzymes nécessaires à les inactiver.

Rares sont aujourd'hui les eucaryotes dépourvus de ces organites : cette endosymbiose semble avoir été déterminante dans le succès évolutif des eucaryotes.

Les plastes auraient été acquis plus tardivement, probablement entre 1,2 et 2 milliards d'années, par certains eucaryotes qui forment les différentes lignées de végétaux. Ces lignées diffèrent par les pigments photosynthétiques qu'elles emploient pour capter l'énergie lumineuse. Nous avons déjà évoqué les algues rouges. Leur équipement pigmentaire rappelle celui des cyanobactéries chlorophylle a* et phycobilisomes* qui leur donnent leur couleur rouge fig. 2. On distingue aussi les végétaux verts, regroupant les algues vertes et leurs descendants, les végétaux terrestres : ils sont dépourvus de pigments protéiques rouges, mais dotés de chlorophylle de type a et b. Les données moléculaires indiquent que les plastes verts et rouges auraient émergé assez tardivement au sein des cyanobactéries, à partir d'une même lignée fig. 3. Les cyanobactéries actuelles sont souvent symbiotiques, et forment des associations avec des champignons, des fougères, voire des endosymbioses dans des protozoaires ou des éponges, par exemple.

Ce qui peut étonner, en revanche, c'est que l'équipement pigmentaire des plastes verts est très différent de celui des cyanobactéries. La perte des phycobilisomes et l'acquisition de la chlorophylle b se sont en fait produites plusieurs fois chez les cyanobactéries au cours de leur évolution. En 1975, Ralph A. Lewin, de l'université de Yale, dénicha Prochloron , un procaryote dépourvu de phycobilisomes, mais possédant de la chlorophylle b9. D'autres organismes semblables furent découverts depuis, et on proposa de c réer pour eux le groupe des « prochlorophytes ». Mais les données moléculaires indiquent qu'en réalité ces organismes sont apparus à plusieurs reprises parmi les cyanobactéries et forment des lignées différentes, sans lien aucun avec les plastes des végétaux verts. Si les ancêtres des plastes rouges et verts sont proches, voire identiques, il semble néanmoins probable que deux hôtes eucaryotes différents aient été à l'origine des algues rouges et des végétaux verts10.

Chez certaines algues, les plastes ont la singularité inattendue d'être entourés non de deux... mais de quatre membranes. Comment le comprendre ? Ces algues appartiennent au groupe des hétérocontes* : on compte parmi elles les algues brunes de nos côtes, comme le fucus, mais aussi les microscopiques diatomées... Différent des plastes verts et rouges, leur plaste « brun » possède les chlorophylles de types a et c. Entre la deuxième et la troisième membrane, un espace cytoplasmique contient des vésicules et des microtubules11. Comment sont apparus ces plastes particuliers ? Un petit groupe d'algues unicellulaires, les cryptophytes, attira l'attention : elles sont également pourvues de plastes entourés de quatre membranes. Mais l'espace entre la deuxième et la troisième membrane comporte des ribosomes de type eucaryote et un organite curieux, évoquant un noyau réduit et contenant de l'ADN, le nucléomorphe* fig. 4. Sarah P. Gibbs a proposé l'hypothèse d'une deuxième endosymbiose pour expliquer ces plastes à quatre membranes. Dans cette construction en poupées russes, le plaste brun comprend donc, de l'extérieur vers l'intérieur, une membrane de séquestration de l'hôte secondaire, la membrane plasmique d'une algue internalisée, puis les deux membranes du plaste de cette dernière.

De fait, les algues unicellulaires peuvent très bien se développer dans le cytoplasme d'autres eucaryotes, par exemple dans les cellules des animaux qui édifient les coraux et des anémones de mer de nos côtes fig. 5. Les algues concernées, des dinoflagellés, existent aussi sous forme libre et sont encore bien reconnaissables. De tels états intermédiaires ont pu être à l'origine d'associations plus étroites, comme chez les cryptophytes et les algues hétérocontes. L'ADN du nucléomorphe des cryptophytes comporte notamment des gènes codant les ARN des ribosomes qui l'entourent. Le génome du nucléomorphe est constitué de trois petits chromosomes12. Ces gènes sont proches de ceux des algues rouges, alors que les gènes ribosomiques du noyau de la cellule hôte, le cryptophyte, rapprochent celui-ci des végétaux verts fig. 6.

Les algues hétérocontes auraient aussi, de leur côté, intégré une algue rouge, qui aurait régressé davantage. Les travaux de l'un d'entre nous sur le génome procaryotique contenu au sein des plastes bruns montrent en effet la filiation de celui-ci avec les plastes d'algues rouges10. L'algue rouge internalisée aurait, au cours de l'évolution, perdu ses pigments rouges et acquis la chlorophylle c, devenant un plaste brun typique...

D'autres organismes ont pu acquérir des plastes par endosymbiose secondaire. C'est ce qui résout le vieux paradoxe des euglènes. Les manuels présentent ces protozoaires comme mi-animaux car les euglènes sont flagellées et peuvent phagocyter des proies ou des débris, mi-végétaux car elles possèdent des plastes ayant les mêmes pigments que ceux des végétaux verts. En fait, comme le montre la comparaison des gènes des plastes fig. 3, il s'agit effectivement de plastes de végétaux verts ! Pourtant, les euglènes sont des eucaryotes primitifs, proches des trypanosomes fig. 6. Elles auraient acquis leurs plastes à partir d'une algue verte, proie ou endosymbionte.

De nombreux exemples actuels montrent des intermédiaires dans les endosymbioses, tant primaires que secondaires. En réalité, l'apprentissage de la vie commune a de nombreuses exigences. La rencontre des partenaires est le premier stade, qui n'est pas nécessairement profitable à chacun d'entre eux. Les mitochondries dérivent peut-être de bactéries pathogènes endosymbiotiques, comme les bactéries actuelles responsables de la listériose ou de la fièvre typhoïde. Quant aux cyanobactéries, elles étaient peut-être des proies avant de devenir des plastes.

Dans un second temps, l'association peut devenir plus durable. Il peut être avantageux pour un eucaryote chasseur de cyanobactéries de profiter de la photosynthèse de sa proie quelque temps avant de la digérer... voire de l'élever dans son cytoplasme. Lorsque l'association devient permanente, un contrôle réciproque de la multiplication de chacun des partenaires est obligatoire pour la survie de l'organisme chimère formé. La voie est alors ouverte à une évolution conjointe ou coévolution des partenaires, et des échanges réciproques peuvent s'établir.

Pour l'endosymbionte, la vie à l'intérieur d'une cellule est extrêmement confortable : c'est l'hôte qui supporte les agressions du milieu externe ! Cet habitat protégé explique la disparition des enveloppes protectrices : on ne trouve plus trace de la paroi des cyanobactéries dans les plastes à deux membranes. La régression de la paroi est aussi décrite chez les algues eucaryotes unicellulaires endo-symbiotiques actuelles. Mais l'évolution régressive la plus curieuse est certainement l'amaigrissement, au cours de l'évolution, du génome des organites par rapport aux formes libres dont ils sont issus voir le tableau. Le noyau de l'algue rouge internalisée par les algues hétérocontes aux plastes bruns a disparu ; la taille du génome de type procaryote contenu dans les organites est dix à cent fois plus petite que celle des procaryotes libres ! Bien sûr, tous les gènes nécessaires pour se repérer, se déplacer, se protéger dans le milieu extérieur ont pu disparaître. Mais d'autres existent toujours : ils ont simplement été transférés dans le noyau de la cellule-hôte, par un processus qu'on commence à entrevoir voir l'encadré « Des gènes voyageurs ».

Ces transferts scellent l'association entre les partenaires, et expliquent qu'on ne puisse pas cultiver isolément les organites : ils sont devenus complètement dépendants de leur hôte... La symbiose est devenue obligatoire et les partenaires forment un nouvel organisme chimérique. Des régulations couplent l'expression des deux génomes, qui concourent ensemble au bon fonctionnement de la nouvelle unité physiologique. La cellule eucaryote cache peut-être d'autres endosymbioses plus intégrées : c'est le cas des peroxysomes, organites intervenant dans certaines réactions métaboliques comme la photorespiration, les peroxydations... Limités par une simple membrane et dépourvus d'ADN, ils apparaissent toujours par bipartition. Certains scientifiques les considèrent comme des endosymbiontes dont le génome aurait été totalement transféré dans le noyau.

L'endosymbiose a donc profondément influé sur l'évolution des eucaryotes, en leur permettant d'acquérir des potentialités métaboliques de procaryotes ! Ce phénomène a accompagné, par plusieurs fois, la fondation de lignées évolutives chez les eucaryotes fig. 6. Il y a complémentarité entre les potentialités morphogénétiques des eucaryotes cytosquelette, passage à l'état pluricellulaire... et le génie enzymatique fixation de carbone ou d'azote, respiration... des procaryotes qui, s'ils sont souvent internalisés, n'abritent jamais eux-mêmes de symbiontes.

Les événements d'endosymbiose semblent avoir été assez nombreux, et parfois successifs, conduisant aux plastes à quatre membranes. Or, l'évolution continue de se répéter ! Aujourd'hui, certaines algues unicellulaires, cryptophytes et hétérocontes, dont le plaste à quatre membranes dérive, rappelons-le, d'une endosymbiose secondaire, vivent en symbiose dans le cytoplasme de dinoflagellés ayant perdu leurs propres plastes : il y a là trois endosymbioses successives13 !

Plus qu'une curiosité biologique, la symbiose est certainement l'un des moteurs les plus puissants de l'évolution du monde vivant. Elle crée très rapidement des organismes chimériques qui peuvent engendrer des lignées nouvelles. Elle rapproche des partenaires et favorise des transferts de gènes massifs qui créent des génomes eux aussi chimériques : le génome nucléaire contient ainsi des gènes eucaryotes, mais aussi des gènes d'origine bactérienne, issus des mitochondries, voire des plastes, avec lesquels il voisine. De tels événements expliquent peut-être les sauts évolutifs majeurs dont l'évolution semble ponctuée, qui ont donné naissance aux grandes lignées du vivant et façonné la diversité biologique actuelle. L'homme lui-même peut être envisagé comme une communauté symbiotique extrêmement intégrée, formée du cytoplasme eucaryote et des mitochondries...

Notes : 

1) A.F.W. Schimper, Botan. Z. , 41 , 102, 1883.

2) J. Joyard et al., Eur. J. Biochem. , 199 , 489, 1991.

3) H. Ris et W. Plaut, J. Cell Biol. , 13 , 383, 1962 ; M.M.K. Nas et S. Nass, J. Cell Biol. , 19 , 593, 1963.

4) L. Margulis, Symbiosis in cell evolution 2e ed., éd. Freemann, Oxford, 1992.

5) S.P. Gibbs, « The evolution of algal chloroplasts », in Weisser et al. eds., Experimental Phycology , Springer Verlag, 1990.

6) M. Reith et J. Munholland, Plant Cell , 5 , 465, 1993.

7) K.W. Jeon, Int. Rev. Cytol. , suppl. 14 , 29, 1983.

8) A.M. Viale, FEBS Let., 341 , 146, 1994.

9) R.A. Lewin, Phycologia , 14 , 153, 1975.

10) S. Loiseaux-De Goër, Progr. Phycol. Res. , 10 , 137, 1994.

11) S.P. Gibbs, J. Cell Sci. , 35 , 253, 1979.

12) S.E. Douglas et al. , Nature , 350 , 148, 1991 ; S. Esbach et al. , Nucleic Acids Res. , 19 , 1779, 1991.

13) T. Horiguchi et R.N. Pienaar, Eur. J. Phycol. 29 , 237, 1994.

14) T. Curgy et al. , Biol. cellulaire, 38 , 49, 1980.

15) A. Brennicke et al. , F EBS , 325 , 140, 1993.