Que les mitochondries, flagelles, lysosomes ou autres chloroplastes soient d’origine bactérienne, c’est un fait désormais acquis. Mais le noyau ? Comment est-il apparu dans la phyllogénie de nos cellules eucaryotes ? Et c’est là qu’on voit apparaître des virus …
Aussi différentes que puissent être les cellules des animaux, des plantes, des champignons et des protozoaires, elles partagent toutes une caractéristique importante: un noyau.
Elles ont aussi d’autres organites, comme les mitochondries productrices d’énergie, mais la présence d’un noyau – une poche poreuse bien définie remplie de matériel génétique – est ce qui a inspiré le biologiste Édouard Chatton en 1925 à inventer le terme eucaryotes, qui faisait référence à les êtres vivants avec un «vrai noyau». Tout le reste, il les qualifia de procaryotes, pour la vie «avant le noyau». Cette dichotomie entre la vie nucléée et non nucléée est devenue fondamentale en biologie.
Personne ne sait exactement comment le noyau a évolué et créé cette division. Cependant, de plus en plus de preuves ont convaincu certains chercheurs que le noyau aurait pu naître d’un partenariat symbiotique semblable à celui qui aurait produit des mitochondries. Une différence cruciale, cependant, est que le partenaire responsable du noyau n’était peut-être pas du tout une cellule, mais un virus.
«Ce que nous [eucaryotes] sommes est un cas classique de ce qu’ils appellent la complexité émergente», a expliqué Philip Bell, responsable de la recherche pour la société de biotechnologie de levure MicroBioGen. Bell a proposé une origine virale pour le noyau eucaryote en 2001 et a actualisé la théorie en septembre. «Ce sont trois organismes qui se sont réunis pour former une nouvelle communauté, qui a fini par s’intégrer à un point tel qu’elle est devenue, en fait, une nouvelle forme de vie.»
Lui et d’autres chercheurs tirent leurs affirmations à partir de découvertes telles que la démonstration que les virus géants construisent des «usines virales» à l’intérieur des cellules procaryotes – des compartiments qui, tout comme le noyau, découplent les processus de transcription (lecture des gènes) et de traduction (construction de protéines). «Je pense que c’est maintenant le modèle le plus solide», a-t-il déclaré.
Les scientifiques pensent généralement que les eucaryotes sont apparus pour la première fois il y a 2,5 à 1,5 milliard d’années, lorsque une bactérie a élu domicile à l’intérieur d’un autre type de procaryote, un archéon, et est devenue sa mitochondrie.
Mais un mystère plus profond entoure l’émergence du noyau; personne ne sait même si cet ancien archéon était déjà une sorte de proto-eucaryote avec un noyau, ou si le noyau est venu plus tard.
Toute histoire d’origine du noyau eucaryote doit expliquer plusieurs de ses caractéristiques.
Il y a la nature de la structure, pour commencer: ses membranes internes et externes imbriquées et les pores qui relient son intérieur au reste de la cellule. Il y a aussi la curieuse façon dont il compartimente l’expression des gènes en lui-même mais laisse la construction des protéines à l’extérieur.
Deux scientifiques concurrents, Takamura au Japon, et Bell en Australie, ont cité des découvertes récentes impliquant un groupe extraordinaire de «virus géants» comme l’une des principales raisons des mises à jour.
Ces virus, découverts à Marseille dans l’équipe autour du Pr Raoult, étaient totalement inconnus lorsque Takemura et Bell ont publié leurs hypothèses initiales. Leurs génomes, qui comptent plus d’un million de paires de bases, rivalisent avec ceux de petites bactéries vivantes libres en taille, et ils portent des versions virales de gènes pour des protéines impliquées dans des processus essentiels dans les cellules. (Il existe des preuves que les versions eucaryotes de plusieurs de ces protéines provenaient de ces virus.)
Mais surtout, ces virus géants se répliquent à l’intérieur de compartiments complexes et auto-construits dans le cytoplasme d’une cellule hôte, c’est pourquoi ces virus, comme les poxvirus, sont classés comme des virus nucléocytoplasmiques à grand ADN (NCLDV). Pour ces virus géants, les compartiments qu’ils constituent sont «des usines virales qui sont aussi grandes qu’un noyau eucaryote», explique Patrick Forterre, biologiste évolutionniste à l’Institut Pasteur à Paris. Fait révélateur, les usines virales fabriquées par les NCLDV qui infectent les eucaryotes ont également des membranes internes et externes comme le noyau. D’après Forterre, Takemura et Bell, les virus géants sont responsables de l’origine du noyau.
Selon Forterre, il y a deux façons possibles pour le noyau de provenir de virus géants. «Soit les usines virales sont devenues le noyau, soit les cellules proto-eucaryotes… ont appris du virus afin de se faire une sorte d’usine virale pour protéger les chromosomes», a-t-il dit.
Takemura pense que ce dernier est plus probable: qu’un virus était plus un contributeur non intentionnel aux cellules eucaryotes, à la fois en tant que stimulus pour la construction d’une barrière génétique par un archéon et en tant que source de certains des gènes nécessaires à sa construction.
Selon son hypothèse, il y a très longtemps, un virus géant a construit une usine virale, renfermant son propre génome mais aussi celui de son hôte archéon. Mais contrairement à la plupart des cellules infectées, cet hôte a réussi à voler l’astuce de construction de la barrière du virus et a construit son propre compartiment – celui qui défendait son génome contre le virus. Au fil du temps, cette barrière semi-permanente a évolué vers le noyau tel que nous le connaissons.
Bell préfère la version dans laquelle une usine virale est directement devenue le noyau, car le processus reflète plus étroitement le comportement connu des virus qui infectent les procaryotes aujourd’hui. “Ils ressemblent plus à Invasion of the Body Snatchers”, dit-il.
Il pense qu’un ancien virus géant a infecté un archéon et créé une usine virale, mais n’a pas tué sa cellule hôte. Au lieu de cela, la structure a réussi à rester. «Et puis le virus, qui est un voleur de gènes, a volé les gènes des archées et détruit complètement son génome», a-t-il expliqué. C’est un thème commun avec les virus, en particulier les virus géants: ils prennent les gènes de leurs hôtes, ce qui les rend moins dépendants de leurs hôtes. Cela pourrait même aider à expliquer pourquoi tant de gènes mitochondriaux se sont déplacés vers le noyau: «Au fil des ans, il a volé les gènes des mitochondries et a commencé à les contrôler également.»
Donc, d’une certaine manière, «le virus porte simplement la cellule de l’archéon comme un manteau», a déclaré Bell. Et si ce modèle est juste, a-t-il souligné, “on pourrait dire qu’au cœur de chaque cellule humaine se trouve un virus.”
Cette année encore, les chercheurs ont repéré des pores dans les usines virales à double membrane de coronavirus, qui rappellent étrangement les pores trouvés dans les noyaux cellulaires. «Si ce résultat tient, et en supposant que la protéine porogène ne soit pas dérivée d’un génome eucaryote, alors cela conteste un argument contre le modèle du virus», a écrit David A. Baum, biologiste évolutionniste à l’Université du Wisconsin, Madison, dans un e-mail.
Pourtant, Baum n’accepte pas l’idée que les virus aient quelque chose à voir avec l’origine du noyau. Pour lui, l’idée ne fait que compliquer les choses. «Quel problème d’eucaryogenèse nécessite des virus comme solution?» il a écrit.
David Baum, biologiste évolutionniste à l’Université du Wisconsin, a proposé une hypothèse différente: le noyau serait en fait un vestige de la membrane externe de l’archéon ancestral. Essentiellement, il pense qu’un archéon ancestral a commencé à pénétrer dans le monde qui l’entoure et à s’associer à des bactéries grâce à ces bulles exploratoires de membrane. Au fil du temps, les bulles ont grandi et grandi, jusqu’à ce qu’elles fusionnent à nouveau – générant une nouvelle membrane externe et des plis de membrane interne qui ont donné naissance à d’autres compartiments intracellulaires. “Les plus proches parents vivants connus des eucaryotes ont de vastes protubérances extracellulaires” qui interagissent avec les procaryotes, a noté David Baum, “très étonnamment similaires au modèle que nous avons proposé.”
Quant à la preuve que les virus ont donné aux eucaryotes certaines de leurs protéines nucléaires les plus essentielles, sa principale préoccupation est qu’il est très difficile d’être sûr de la directionnalité de ce phénomène. «Les virus sont des kleptomanes», et ils prennent constamment les gènes de leurs hôtes. Je pense que nous devons être très prudents pour nous demander si nous trouvons des similitudes entre les virus et les eucaryotes. Nous ne savons pas s’ils l’ont donné aux eucaryotes, ou si les eucaryotes le leur ont donné. “