dimanche 18 août 2019

Augmentation du rendement de la photosynthèse en C4 par la surexpression d'une seule protéine de la chaîne photosynthétique

Thèmes : photosynthèse, production primaire, flux d'énergie dans les écosystèmes, nourrir l'Humanité

La photosynthèse est un ensemble de réactions-clés dans la biosphère qui convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique avec un rendement assez faible (entre 3 et 6%). Beaucoup d'énergie se dissipent en chaleur ou n'est pas absorbée. De nombreux laboratoires cherchent à augmenter le rendement de la photosynthèse dans le but évident d'accélérer la croissance des plantes agricoles.

Des chercheurs australiens ont trouvé ce qui semble être un goulot d'étranglement dans la photosynthèse. Durant la phase dite lumineuse de la photosynthèse des électrons sont enlevés à l'eau et une série de réactions d'oxydoréductions a lieu dans la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. Ces réactions mettent en jeu différents complexes.

Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis#/media/File:Thylakoid_membrane_3.svg

C'est dans le complexe cytochrome b6f (en bleu clair sur le schéma ci-dessus) que se trouve la protéine d'intérêt pour les chercheurs. Elle s'appelle FeS Rieske et elle contient un cluster Fer-Soufre. Les auteurs ont choisi la plante en C4 Setaria viridis, une Poacée très commune, pour surexprimer cette protéine. Résultat ? Le flux d'électrons a travers l'ensemble des photosystèmes a augmenté et le rendement de la photosynthèse a augmenté de 10%. Plus de complexes cytochrome b6f ont pu être isolés ce qui indique que la protéine FeS Rieske est un facteur limitant pour la production de l'ensemble du complexe. Les effets bénéfiques sur la photosynthèse étaient particulièrement marqués lorsque la plante était exposée à une forte luminosité, ce qui est logique : plus de lumière > plus d'électrons circulants > plus de sensibilité aux facteurs limitants.

Les auteurs soulignent aussi que beaucoup d'efforts ont été faits pour améliorer le rendement des plantes en C3 mais peu en C4 alors que des plantes très importantes pour l'agriculture comme le maïs, le sorgo ou la canne à sucre font partie de cette catégorie. Des tests sur le sorgo (5ème céréale la plus cultivée au monde) sont d'ailleurs déjà prévus. La prouesse est d'autant plus importante que les plantes en C4 ont une photosynthèse déjà optimisée par rapport aux plantes en C3, mais les résultats obtenus démontrent que l'efficacité peut encore être améliorée.

Par ailleurs, la protéine FeS Rieske n'est surement pas le seul goulot d'étranglement et la surexpression d'autres éléments de la chaîne d'oxydoréduction pourraient seuls ou en combinaison donner encore de meilleurs résultats. Néanmoins, les effets ont pour l'instant été testés à court terme. A long terme, il est possible que des effets délétères puissent apparaître (photoinhibition...). 




vendredi 3 mai 2019

Une signature moléculaire sur l'ADN pour 55 agents mutagènes

Thèmes : ADN, mutation

Il est sans doute faux de dire que les mutations ont lieu complètement au hasard. Depuis longtemps, on sait que chaque agent mutagène provoque un ou plusieurs types particuliers de modifications de l'ADN (les rayons X, des cassures double brin; les UV des dimères de thymine...). Mais un agent mutagène modifie-t-il de manière privilégiée une séquence particulière sur l'ADN (en dehors des cas faciles où les thymines sont côte à côte pour les UV...) ? Peut-on par simple séquençage savoir à quel agent mutagène une personne a été exposée ? Cela pourrait permettre de savoir quoi précisément a causé une tumeur chez un patient.

Plusieurs équipes britanniques se sont associées pour publier un article dans Cell hier. Les chercheurs ont pu trouver ce qu'ils appellent "des signatures moléculaires" pour 55 des 79 substances chimiques mutagènes et des radiations qu'ils ont testé. Ce sont des cellules souches humaines (des cellules iPS) qui ont été exposées à ces substances chimiques ou à ces radiations. Pour chaque mutagène, des cellules traitées ont été isolées puis cultivées de manière à expandre le clone puis le génome de ces clones a été entièrement séquencé.

Source : Kucab et al., 2019, Cell 177, 821–836
Les "signatures moléculaires" découvertes correspondent à des substitutions (pour la grande majorité des substances testées), des doubles substitutions (deux bases modifiées côte à côte) et des délétions ou des insertions particulières.
Certaines des mutations induites étaient déjà connues pour être présentes dans divers cancers, d'autres sont nouvelles.
Cela permet de savoir plus précisément ce qui cause les tumeurs. Par exemple, pour la fumée du tabac les chercheurs ont pu déduire la contribution individuelle des composés toxiques de cette fumée aux mutations observés chez des patients atteints de cancer du poumon.
Reste à savoir ce qu'il se passe dans d'autres cellules que les iPS (qui ont été choisies parce qu'elles prolifèrent bien et qu'on peut facilement faire pousser des clones). Car entre l'action de l'agent mutagène et la mutation observée, il y a les enzymes de réparation qui interviennent et les voies de réparation ne sont pas forcément les mêmes chez tous les types de cellules. De même l'état de la chromatine pourrait modifier l'effet de certains mutagènes et là aussi cela devrait dépendre du type cellulaire.


Voir la vidéo : 


Lien vers l'article scientifique



dimanche 31 mars 2019

Un nouveau candidat pour une pilule contraceptive masculine

Thèmes : communication hormonale, contrôle de la reproduction

La recherche d'une pilule de contraception masculine est aussi ancienne que la recherche de la pilule de contraception féminine. L'hormone cible : la testostérone est évidente mais elle a de nombreux autres effets en dehors de la stimulation de la spermatogenèse : développement des muscles, stimulation de l'hématopoïèse, maintien de la pilosité, contrôle de la libido et de l'humeur..., ce qui est problématique. Il s'agit de trouver un moyen de bloquer uniquement l'action sur la spermatogenèse.

Une molécule prometteuse a été présentée au Congrès Annuel de la Société d'Endocrinologie le 25 mars dernier par des chercheurs américains. Elle répond au joli nom de 11-beta-MNTDC. 

Comparaison entre la structure de la testostérone et la molécule testée

La molécule a été utilisée pour une phase I de test clinique, c'est-à-dire pour vérifier qu'elle n'a pas d'effets secondaires importants sur des sujets sains. Le traitement a été testé pendant un mois sur 30 hommes âgés de 18 à 50 ans et 10 autres hommes ont reçu un placebo. Le niveau de testostérone a chuté chez tous les hommes ayant eu le vrai traitement. Quelques effets secondaires ont été constatés (gain de poids, fatigue, reprise d'acné, baisse modérée de la libido et de l'érection), mais un ajustement des doses devraient les réduire.

Les auteurs n'ont pas encore vérifié le point essentiel cependant : la baisse de production de spermatozoïdes. Cet effet a été observé néanmoins chez les animaux testés au préalable mais cela peut prendre plus d'un mois après le début du traitement. La spermatogenèse chez l'homme dure 74 jours. Il faudra aussi vérifier que la levée du traitement rétablit bien le niveau de testostérone et la spermatogenèse pour que ce ne soit pas une stérilisation définitive !

Le 11-beta-MNTDC est à la fois un agoniste du récepteur à la testostérone et du récepteur à la progestérone. L'ensemble va avoir pour effet de suractiver le rétro-contrôle négatif sur la production de LH dans l'hypophyse antérieur (ou adénohypophyse). La production de LH chute et les cellules de Leydig qui y répondent habituellement en produisant de la testostérone ne le font plus. 


Le 11-beta-MNTDC de par son action androgénique va tout de même maintenir les caractères sexuels secondaires mais pas la spermatogenèse car la molécule ne peut probablement pas passer dans les canaux séminifères où se déroule la spermatogénèse, contrairement à la testostérone normale (hypothèse à vérifier). 

Il va falloir attendre un peu avant la commercialisation du 11-beta-MNTDC : 10 ans au moins d'après les auteurs de l'étude !

dimanche 10 mars 2019

Bienvenue à GATTASPBZCA

Thèmes : ADN, code génétique, transcription


Les 4 bases azotées de l'ADN (adénine A, thymine T, cytosine C, guanine G) et leurs appariements par paires Watson-Crick font partie de ce qui fait l'universalité du vivant (Aussi une pensée pour l'uracile (U) des ARN). Dans le détail, il en existe plus que cela si on inclue leurs variants "naturels" comme la cytosine méthylée (5-méthylcytosine) par exemple. Certains variants causés par divers agents physiques ou chimiques sont également connus et peuvent mener à des mutations. Des variants "artificiels" sont aussi utilisés comme agents anticancéreux en chimiothérapie (le 5-fluorouracil par exemple) et sont justement toxiques pour les cellules.

Nous avions déjà parlé dans cet article de la volonté des chercheurs d'étendre le code à quatre "lettres" classiques (A, T, G, C) utilisé dans l'ADN. En 2014, des chercheurs américains avaient utilisé une nouvelle paire de nucléotides avec bases azotées "artificielles" (d5SICSTP et dNaMTP) capables de s'apparier façon Watson-Crick sur deux brins d'ADN antiparallèles (propriétés connues depuis 2008). La grande nouveauté de leurs travaux avait été leur réussite à faire synthétiser par E. coli un ADN plasmidique contenant ces bases azotées en le faisant répliquer sans erreurs par la machinerie de réplication endogène. Les complexes de réparation des mutations ne semblaient pas activés par cette présence étrangère dans l'ADN. La seule aide dont avaient eu besoin les bactéries étaient des transporteurs membranaires pour importer les nouveaux nucléotides (transporteurs issues d'une diatomée).

Dans un article paru dans Science le 22 février, des chercheurs américains ont étendu à 8 lettres le code génétique (les 4 bases azotées classiques + 4 nouvelles bases azotées), ce qui est un progrès par rapport aux 6 lettres de 2014. Les nouvelles paires qui s'associent par liaisons hydrogène sont appelées "S et B" et "P et Z" qui viennent donc rejoindre les classiques "A et T" et "C et G". Les chercheurs ont nommé ce nouveau code "hachimoji" qui veut dire "huit lettres" en japonais.

Les huit bases azotées et leur association Watson-Crick dans l'ADN hachimoji
(source : https://en.wikipedia.org/wiki/Hachimoji_DNA )


Les chercheurs ont démontré que leur ADN avec huit base azotées différentes a une structure normale en double hélice (et ce, quelque soit la séquence) par diffraction des rayons X. Et ils ont montré que cet ADN pouvait être transcrit en ARN par une ARN polymérase modifiée issue du bactériophage T7 qui synthétise un ARN hachimoji avec les ribonucléotides complémentaires des désoxyrobinucléotides de l'ADN transcrit.

Par contre, ils n'ont pas montré que cet ADN pouvait être répliqué par des ADN polymérases que ce soit in vitro ou in vivo dans des bactéries à qui on fournirait les bases modifiées. 

L'objectif à long terme de ces études d'expansion du code génétique est de pouvoir à l'avenir stocker plus d'informations dans l'ADN et aussi de pouvoir faire synthétiser à des bactéries des protéines avec de nombreux acides aminés différents des 20 acides aminés classiques, ce qui serait utile en recherche fondamentale mais aussi pour produire de nouveaux médicaments.

Et en astrobiologie, cela veut dire qu'il existe sans doute quelque part dans l'Univers des ADN qui fonctionnent avec d'autres bases azotées qu'A, C, G et T. D'ailleurs, cette étude a été en partie financée par la NASA.



mardi 12 février 2019

La planète perd 1/40ème de ses Insectes chaque année

Thèmes : biodiversité, l'Homme et la biosphère

Les Insectes sont des éléments-clés de la plupart des écosystèmes terrestres : pollinisation, recyclage de la matière organique, source de nourriture pour de nombreux autres organismes... Leurs rôles sont multiples. Une analyse globale de l'évolution de leur biodiversité (qui s'appuie sur 73 articles scientifiques "de terrain") vient d'être publiée dans le journal Biological Conservation et le résultat est très alarmant.



Plus de 40% des espèces d'insectes sont sur le déclin, et 30% sont en danger d'extinction. La biomasse des Insectes diminue globalement de 2,5% par an depuis 25-30 ans. Les Lépidoptères, les Hyménoptères et les Coléoptères sont les plus affectés ainsi que les Odonates (libellules...) et les Ephéméroptères pour les espèces dont les larves vivent dans l'eau. Certaines régions du globe sont plus touchées que d'autres. De 2000 à 2009, le nombre d'espèces de papillon a chuté de 58% dans les champs cultivés d'Angleterre. A Puerto Rico, 98% des insectes du sol (oui, 98% !) ont disparu en 35 ans.

Seules quelques espèces opportunistes voient leur biomasse augmenter comme le bourdon fébrile (Bombus impatiens) aux USA qui est particulièrement résistant aux pesticides et qui profite du déclin des autres espèces de bourdon. Mais ces augmentations ponctuelles ne compensent pas les lourdes pertes globales.

Cette baisse de la biomasse affecte les animaux qui se nourrissent d'insectes. Les chauve-souris, les oiseaux, les amphibiens et les poissons sont particulièrement touchés. La disparition des insectes est un élément aggravant de la crise de la biodiversité mondiale car plus que tout autre groupe il entraîne d'autres phylums dans leur chute (voir cet article sur la chute de la biodiversité globale)

Les chercheurs désignent comme principal cause du déclin l'agriculture intensive, la destruction des buissons et des sous-bois et bien sûr l'utilisation de pesticides. Dans les régions tropicales, s'ajoute le réchauffement climatique, un facteur qui est encore secondaire dans les régions tempérées par rapport à d'autres mais qui pourrait augmenter en intensité dans les années qui viennent.

mardi 22 janvier 2019

Le fonctionnement et le contrôle des cellules souches du cambium dévoilés

Thèmes : développement des végétaux, croissance en épaisseur, conduction des sèves


Les Angiospermes ont des tissus vasculaires qui leur permettent de transporter les sèves. Et le développement de ces tissus participe aussi à la croissance en épaisseur. Cette croissance dépend des divisions des cellules souches du cambium (qui donnent notamment le xylème II et le phloème II). Un article paru dans Nature ce mois-ci lève un peu le mystère sur le fonctionnement des cellules du cambium des racines d'Arabidopsis thaliana

Structure secondaire d'une racine (https://fr.wikipedia.org/wiki/Racine_(botanique))

Par des expériences de lignage très précis, les chercheurs ont montré qu'une même cellule souche du cambium peut donner à la fois du xylème II et du phloème II, tranchant un débat qui durait depuis plus de 150 ans. Lorsqu'une cellule souche du cambium produit une cellule en direction de l'extérieur, celle-ci donnera du phloème II et quand elle produit une cellule en direction de l'intérieur, celle-ci donnera du xylème II. 

Dans ce dernier cas, la nouvelle cellule précurseur du xylème II (et pas celle du phloème II) aura un contrôle sur la cellule souche qui vient de la générer. En effet, elle envoie des signaux vers le cambium qui maintiennent sa prolifération et le caractère "souche" des cellules qui le composent. Les cellules précurseurs du xylème II acquièrent ces propriétés organisatrices sous l'influence de l'auxine qui s'accumule en elles. La nature des signaux en aval de l'auxine vers les cellules souches cambiales est encore inconnue. De même que ce qui contrôle le choix pour une cellule souche de produire du xylème ou du phloème.

dimanche 6 janvier 2019

Une origine très précoce des plumes chez l'ancêtre commun entre les Ptérosaures et les Dinosaures ?

Thèmes : Histoire de la vie, évolution, locomotion, tégument


Les Oiseaux ne sont pas les seuls organismes à avoir des plumes. Des dinosaures non volants en étaient également recouverts. Depuis une vingtaines d'années, les fossiles provenant de la province du Liaoning (nord de la Chine), comme Sinosauropteryx l'ont clairement montré. Ils sont issus de cadavres enfouis très rapidement sous une couche de cendres provenant d'éruptions de volcans de la Mongolie voisine et l'empreinte de la structure fine des plumes a été bien conservée.

Un fossile très bien conservé de Sinosauropteryx

Les plumes des Oiseaux seraient une exaptation, une utilisation d'une structure existante pour une nouvel fonction : le vol. Avant, les plumes pouvaient servir à se réchauffer plus vite ou à limiter les déperditions de chaleur (plumes duveteuses) et également pour du camouflage ou des parades nuptiales (plumes de recouvrement où d'ailleurs des mélanosomes (vésicules de pigmentation) ont pu être observées). Certains dinosaures bipèdes coureurs possédaient même des plumes asymétriques, très proches des rémiges qui sont les plumes de vol des oiseaux. Situés sur la queue ou sur les bras, ils auraient pu avoir un rôle de stabilisateur biomécanique lors de la course.

Une équipe internationale menée par un groupe anglais vient de publier dans Nature Ecology and Evolution une étude montrant que les Ptérosaures, des reptiles volants qui forment avec les dinosaures et les crocodiliens le groupe des Archosauriens possédaient aussi des plumes ! Les Ptérosaures sont parfois appelés à tort des Dinosaures volants. Ils forment un groupe à part qui a eu un ancêtre commun avec les Dinosaures il y a 250 millions d'années (et ensemble ils forment le groupe des Avemetatarsalia)

Phylogénie des Archosauria. Les ancêtres des Crocodiles se détachent des Avemetatarsalia (ici appelé Ornithodira) qui rassemblent les Pterosaures et les Dinosaures. Les Oiseaux émergeront du groupe des Théropodes (en haut à droite).

On savait qu'ils avaient des ailes analogues à celles des chauve-souris avec une surface portante cutanée dépliée grâce aux doigts des membres antérieurs (la disposition des doigts n'est pas tout à fait identique à celle des chauve-souris, ce qui indique la convergence évolutive). Mais deux spécimens provenant de Chine et datés de 160 millions d'années ont montré que la peau de ces Ptérosaures était recouverte de filaments (appelés pycnofibres) et que ces filaments se divisaient en structures plus fines rappelant fortement des plumes duveteuses. 




Reconstitution du Ptérosaure à plume (source : https://doi.org/10.1038/s41559-018-0728-7 )

Ces plumes ne formaient clairement pas de surface portante mais pouvaient participer au fuselage du corps pour éviter les turbulences de l'air lors du vol ou avoir des fonctions de thermorégulation et de camouflage/parade nuptiale.

Il n'est pas clair à ce stade s'il s'agit d'une convergence évolutive ou s'il s'agit d'une synapomorphie, même si les chercheurs penchent pour la deuxième hypothèse. En cas de synapomorphie, cela voudrait dire que l'ancêtre commun entre les Ptérosaures et les Dinosaures il y a 250 millions d'années avait eu des plumes ! Cela ferait remonter l'origine des plumes 70 millions d'années en arrière par rapport à ce que l'on supposait jusqu'à maintenant.