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Bioécologie

Articles avec #evolution

Une approche darwinienne du cancer

7 Octobre 2014,

Publié par Bioécologie

Une approche darwinienne du cancer

Un article de Laure Cailloce paru dans CNRS-Le Journal.fr

Et si les lois de l’évolution établies par Darwin il y a 150 ans permettaient de poser un nouveau regard sur le cancer ? Explorée par des chercheurs, cette piste pourrait aboutir à de nouvelles approches thérapeutiques.

En janvier 1971, le président américain Nixon déclarait la guerre au cancer. En consacrant les mêmes moyens à la lutte contre cette terrible maladie que ceux mis pour provoquer la fission de l’atome ou envoyer un homme sur la Lune, on pourrait la guérir… Quarante ans plus tard, force est de constater que la bataille est loin d’être gagnée. Certes, on sait guérir plusieurs leucémies et lymphomes, et la prévention comme la prise en charge des cancers ont fortement progressé. Mais 80 % d’entre eux – les cancers des tissus comme le sein, le foie, la prostate, le colon, les poumons… –, ont un taux de survie réduit quand ils sont détectés à un stade avancé. « C’est parce qu’on ne regarde pas cette maladie sous un bon angle », affirme Frédéric Thomas, biologiste au laboratoire Mivegec dont la recherche est axée sur la médecine darwinienne ; il précise : « On a un ennemi, le cancer, qui se comporte de façon darwinienne. Cela demande de repenser complètement les présupposés de départ. »

Des cellules égoïstes

Le cancer est une maladie aussi vieille que les premiers êtres multicellulaires, soit 500 millions d’années environ. « Les cellules cancéreuses retrouvent pour ainsi dire leurs vieux réflexes d’unicellulaires et prennent leur autonomie par rapport à l’organisme »,explique Frédéric Thomas. Elles font comme n’importe quelle unité du vivant décrite par la théorie de Darwin : elles se comportent de façon égoïste et cherchent à maximiser leur division, au-delà du seul renouvellement cellulaire.

Autre particularité : ces cellules sont génétiquement instables, contrairement aux cellules saines, et connaissent de nombreuses mutations. Avec l’arrivée du séquençage ADN haut débit et les méthodes d’analyse globale, il y a une dizaine d’années, les chercheurs ont découvert l’incroyable hétérogénéité que cette instabilité engendre au sein même de la tumeur. « Du fait de milliers de mutations génétiques, on se retrouve face à une tumeur qui ne contient pas une mais plusieurs populations de cellules cancéreuses qui n’auront pas forcément le même comportement », explique la biologiste Urszula Hibner, de l’Institut de génétique moléculaire de Montpellier.

Une explication aux rechutes

Pour comprendre le fonctionnement des tumeurs, les scientifiques cherchent désormais à cerner le rôle des différentes populations de cellules cancéreuses qui y cohabitent. « Dans une tumeur, comme dans n’importe quel écosystème, il y a une compétition pour accéder à l’espace et aux ressources ; ici, les ressources sont le glucose et l’oxygène, par exemple, dont les cellules cancéreuses ont besoin pour se maintenir », décrit Urszula Hibner. Dans cette compétition, les chercheurs soupçonnent que les cellules cancéreuses bénéficient d’adaptations particulières. Certaines auront plus de facilités à stimuler la néoangiogenèse, la création d’un système de vascularisation à l’intérieur même de la tumeur, nécessaire à l’alimentation des cellules cancéreuses. D’autres seront plus aptes à accéder à la matrice extra-cellulaire, le tissu conjonctif auquel les cellules du corps s’arriment. D’autres, enfin, seront plus actives dans la croissance de la tumeur elle-même…

Les connaissances de la biologie évolutive pourraient aussi permettre d’explorer de nouvelles voies thérapeutiques. « L’objectif pour la recherche, à terme, est bien évidemment d’éradiquer complètement la tumeur… En attendant d’y arriver parfaitement, pourquoi ne pas tenter de faire du cancer une maladie chronique avec laquelle le patient apprendrait à vivre ? », propose le biologiste Michael Hochberg, de l’Institut des sciences de l’évolution de Montpellier. Soit un changement complet de stratégie, dans le moyen terme tout au moins.

Garder la tumeur sous contrôle

Au lieu d'appliquer directement la dose de chimiothérapie maximale tolérée par les patients, comme c'est le cas dans certaines stratégies thérapeutiques, il s'agirait plutôt de garder la tumeur sous contrôle. « L’idée serait d’élaguer seulement ce qui dépasse, en utilisant des chimiothérapies douces qui préservent l’équilibre entre les différentes populations de cellules cancéreuses et qui évitent aux plus résistantes de recoloniser tout le milieu », explique Michael Hochberg.

Autre approche possible : adopter les méthodes utilisées en écologie pour contrôler les populations de nuisibles. Au lieu d’essayer d’éradiquer la population de nuisibles avec des moyens brutaux et souvent inefficaces à plus long terme (insecticides, dératisation…), on introduit plusieurs de ses prédateurs et, pourquoi pas, un ou deux parasites. « Dans le cas des cellules cancéreuses, on pourrait imaginer coupler une chimiothérapie et un virus oncolytique», précise Frédéric Thomas. L’évolution nous apprend qu’on est rarement performant sur tous les fronts ; c’est ce qu’on appelle le compromis évolutif. Les chercheurs font le pari que, si les cellules ont développé la capacité de résister à un agresseur, elles ne seront pas forcément adaptées à tous…

Vers un vaccin à long terme ?

Dernière piste envisagée, à très long terme : le vaccin qui débarrasserait définitivement l’homme des tumeurs cancéreuses. L’évolution a choisi de favoriser la reproduction et la première partie de la vie humaine au détriment de la survie à très long terme. Ce qui fait qu’on accumule des tumeurs pas forcément malignes tout au long de notre vie, tumeurs que le système immunitaire est censé garder sous contrôle. Seulement voilà, l’efficacité du système immunitaire diminue avec l’âge, tandis que le nombre et l’hétérogénéité des tumeurs ne cessent d’augmenter… « On pourrait imaginer un vaccin qu’on inoculerait au nouveau-né et qui éduquerait le système immunitaire à se débarrasser des tumeurs dès leur apparition », avance Frédéric Thomas. Une sacrée gageure !

Aujourd’hui, si la démarche évolutive intéresse de plus en plus de chercheurs spécialistes du cancer, qui y voient une approche complémentaire à leurs travaux, seulement quelques centaines dans le monde (sur plusieurs centaines de milliers) se consacrent exclusivement à cette discipline encore émergente. En France, un groupe de recherche, le Darevcan (Darwinian Evolution of Cancer Consortium), regroupe depuis 2012 onze laboratoires et une cinquantaine de chercheurs – biologistes évolutifs, biologistes moléculaires, médecins mais aussi mathématiciens. « Il faut des modèles mathématiques pour simuler la croissance des populations de cellules cancéreuses au sein des tumeurs, comme on le fait en génétique des populations », explique Michael Hochberg, qui coordonne l’ensemble.

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Time For Change? Pollution has had an unexpected effect on natural evolution

25 Août 2014,

Publié par Bioécologie

Article by Heather Baldwin in Synapse (The Boston University Undergraduate Science Magazine)

 

Tomcod fish gain hereditary resistance to certain contaminants when exposed to high levels of pollution.   Wikimedia Commons | Credit H.B. Bigelow and W.C. Shroeder

Tomcod fish gain hereditary resistance to certain contaminants when exposed to high levels of pollution. Wikimedia Commons | Credit H.B. Bigelow and W.C. Shroeder

Evolution is a genetic process that shapes the behavior and appearance of species in a beneficial way as a result of long-term exposure to environmental stresses. Normally, the evolutionary process is very slow; the transformation of simple single-celled organisms into today’s complex species, including the human race, took thousands of years. Ironically, humans themselves have introduced an environmental pressure powerful enough to speed up the evolutionary clock: pollution. A recent study by Dr. Zhangpeng Yuan and his team at the New York University School of Medicine found that a population of tomcod fish in the Hudson River had been exposed to such chronically high levels of industrial pollution that they gained a heritable resistance to the damaging effects from the contaminants. Many other examples of drastic evolutionary genotypic and phenotypic changes have been observed over a relatively short period: decades, or even within generations – each in response to pollution. Are these “micro-evolutions” leading to beneficial adaptations, or are they a signal of severe harm to our ecosystem and ourselves?

Environment to Mutation

Illustration by Evan Caughey

Brown Squirrels, for example, have seen their primary habitat change from forests to landfills in the last 35 years.

Every known organism on Earth follows the central dogma of genetics: DNA (deoxyribonucleic acid) is transcribed to RNA, which is then translated into protein. DNA consists of a code of paired nucleotide bases, termed the genome of the organism. Messenger RNA uses this code to determine the sequence of amino acids that make up the protein corresponding to the particular gene being expressed. Proteins then directly affect the appearance and behavior, or phenotype, of the organism. Mutations may occur when DNA is altered by factors such as UV rays, chemicals, X rays, or radioactivity. Small-scale changes include disruption of the DNA double helix shape, incorrect combination (or dimerization) of adjacent nucleotides, and insertions/deletions of bases. Large-scale mutations involve the deletions, insertions, or translocations of entire parts of the chromosomes. Since evolution works at a genetic level, one individual’s mutation has the capability of affecting the entire species.

A major player in pollution-induced mutation is the benzopyrene class of compounds. These chemicals disrupt normal maintenance and expression of genetic information when metabolized by the liver. Their metabolites, benzoyprene epoxides, alter the expression of genes by inserting themselves into DNA and preventing replication and transcription.  Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are an especially destructive class of benzopyrenes, formed from the partial combustion of organic compounds, such as wood, coal, plant matter, and animal fat. Therefore, power stations, transportation, and even cigarette smoke are the greatest culprits for the rising levels of these highly mutagenic and carcinogenic compounds.1

Mutation to Evolution

Mutations lead to evolution when an organism’s observable traits, or phenotype, change. For a particular mutation to lead to evolution, it must first cause a change in the organism’s observable traits, or phenotype. This most often occurs through an alteration of the DNA making up a particular gene. If the protein produced still functions normally, the mutation is considered “silent” and does not affect the organism. Not every beneficial trait within a particular organism will necessarily undergo selection. In order for the altered phenotype to be selected by evolution, it must also improve the fitness of the organism to its surroundings. Those with the new mutation must be able to survive to adulthood and reproduce more easily than the individuals without it. If the change is beneficial but does not affect the ability of the organism to have offspring, the amount of offspring with the mutation does not change, and no phenotypical change in the population will occur.

Evolution of a particular trait requires lengthy exposure to a persistent environmental stressor, such as changing climate or resource availability. Micro-evolution can occur over a relatively short time in areas where pollution is persistent or inescapable.  A species can develop resistance to a highly or consistently polluted environment through one of two paths. The first option is physiologic acclimation without a genetic basis. This physiological change cannot be inherited by the offspring, and is lost after the organism is no longer exposed to the particular stressor. The second path is through the genetic adaptation of resistance resulting from long-term exposure, and can be inherited by the offspring.2

Examples of Species Undergoing Evolution Induced by Pollution

Micro-evolution occurs most frequently in marine species. This is most likely due to limited mobility and habitat isolation that prevents the organisms from avoiding the pollution. The tomcod of the Hudson River have high mobility, but cannot escape the contamination spread throughout their habitat. The Hudson River contains historically high levels of PAHs, including polychlorinated biphenyls (PCBs) and 2, 3, 7, 8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCCD).  Effects of PAHs include DNA damage, hepatic neoplasms (epithelial carcinoma), birth defects, and increased early mortality.3 The tomcod population has evolved a genetic adaption that prevents the harmful effects of the polluting substances through a single mutation of the CYP1A gene.3 The CYP1A protein is involved in xenobiotic (foreign chemical) and drug metabolism.4 Only benzopyrene metabolites are harmful to DNA, resulting in toxic and carcinogenic effects on the organism. If the organism can slow its metabolism, then the effects of benzopyrene epoxides on the organism’s health slow as well.

Tawny Owls have evolved to carry a dominant brown coloration trait due to climate change. Previously, gray colored plumage was the dominant expression.  Wikimedia Commons | Credit K.M. Hansche

Tawny Owls have evolved to carry a dominant brown coloration trait due to climate change. Previously, gray colored plumage was the dominant expression. Wikimedia Commons | Credit K.M. Hansche

The CYP1A mutation has been positively selected because it leads to reduced inducibility of CYP1A, therefore preventing the harmful consequences described above by slowing the metabolism of chemicals such as benzopyrenes. Z. Yuan and his team proved that this newly developed resistance to PAHs in a high proportion of the tomcod Hudson River population is heritable. He found a reduced induction of CYP1A in offspring of mutated fish that were raised in a pollution-free laboratory setting.3 In a similar study, mummichog killifish also known as “mud minnows” or “mummies,” were collected from several highly polluted sites in Massachusetts, New Jersey, and Virginia. The mummichog were found to have resistance to PAHs via the reduced sensitivity of the CYP1A gene.5 These fish also have high reproductive potential and are restricted to travel within limited areas, which are favorable conditions for the selection of a particular phenotype.

Species undergoing pollution-induced evolution are not restricted to marine habitats. An interesting example of this phenomenon has occurred due to a major consequence of pollution: global warming. Tawny owls in Finland are adapting to the gradual climate change. Naturally, the dominant color of tawny owls is grey, whereas brown owls had been associated with higher mortality rates in the winter due to lack of camouflage. Yet as winters have become warmer, the snow has become less of an evolutionary pressure, which allows for the elevated presence of brown owls.6 Therefore, as the temperature increases as a result of humans’ destruction of the ozone layer, so does the ratio of brown owls to the previously dominant grey owls.

The Negative Effects of Genetic Mutations

There are often physical trade-offs that work against the fitness of the mutated organism. Gene mutations that help prevent harmful effects of an environment seem like a beneficial act of nature; these species can now protect themselves from the damaging man-made substances now present in their habitats. However, many studies of these micro-evolution events have shown that this may not be the case. When such rapid evolutionary changes occur, there are often physical trade-offs that work against the fitness of the mutated organism. For instance, the organism may suffer an increased sensitivity to other environmental stressors.3 Moreover, once the particular substance that the mutation protects against is removed, the organism’s overall functioning diminishes. If the fitness of the organism is so low that it cannot reproduce, the entire population could undergo genetic change. When the pollution was present, the non-mutated organisms without resistance were selected against, ultimately leading to a decrease in the population of the wild type phenotype. If the pollution is finally removed, the mutated offspring are now being selected against. This can result in drastic changes in both the genetics and size of the population.

The dramatic effects of pollution on the genetic diversity of certain species change the overall biodiversity of our ecological environment. But what about humans? As the highest level of the food chain, we are susceptible to the effects of contaminant transfer from prey to predator. If a prey species (such as the tomcod), is resistant to pollution, a higher level of contaminants will be observed at higher feeding levels, even if the predator is not subject to the same pollutant stress.3 Ethics prevents the controlled study of the pollution’s direct effects on humans. There have been no reported cases of micro-evolution as a result of a pollutant in mammals in a natural setting.

On the other hand, studies have demonstrated pollution’s effect on the genome of mammals and their offspring. Somers, of the department of Biology at McMaster University; Yauk, of Health Canada; and fellow scientists found that PAHs present in the air can also induce heritable mutations. Mice exposed to the air within an integrated steel mill had much higher expanded simple tandem repeat (ESTR) germline mutation rates than mice exposed to a rural environment. The ESTR loci are especially susceptible to genetic mutation and are therefore reliable tools for measuring the mutating ability of contamination. The study also found that the ESTR mutations were passed on to laboratory-reared offspring of the exposed mice. Interestingly, only the paternal mice had a significant mutation rate (the maternal mutation rate was only slightly elevated). How does this study apply to the human population? There are many humans living or working near steel mills. Steelworkers who are exposed to PAHs are susceptible to mutations and can pass on these mutations on to their children.7 The direct impact of repetitive DNA mutations (such as ESTR) in humans is unknown, but certainly have the potential to change coding genes (and thus possibly the phenotype) through alteration of DNA replication and repair.

Consequences for Ourselves and Our Natural World

Humans have an advantage over other species. As previously noted, there are no human case studies of micro-evolution due to pollution. Humans have an advantage over other species; not only are we highly mobile, but our habitats are not nearly as restricting and our generations are much longer. Humans, especially recently, also have the ability to identify sources of pollution and are learning to avoid them. Humans may be able to undergo evolutionary changes similar to other mammals. According to the “fireside hypothesis,” when early human populations migrated from Africa, certain groups (those that migrated to colder climates) were exposed to fire earlier than others. Epidemiologic studies have shown that the incidence of lung cancer is inversely proportional to the reliance on fire in different geographic populations during human evolution.8 This theory is backed by multiple studies that found certain polymorphisms present in cytochrome p450 and other liver drug-metabolizing enzyme genes in humans can influence susceptibility of lung cancer.9

However, this hypothesis is not nearly the same as the cases of evolution of pollution resistance being discovered now. First of all, the time and strength of the exposure is a stark contrast to the other cases. The affected populations of the recent evolution involve persistent, severe amounts of pollution within decades. In the case of the fireside hypothesis, the exposure was progressive and much less powerful, resulting in a much longer time scale. Although this case of human evolution was certainly beneficial to the health of those who gained resistance, the current cases of micro-evolution may be considered harmful in the long-term, despite the short-term benefits.

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Drift genetic / La dérive génétique

8 Novembre 2013,

Publié par Bioécologie

Paul Andersen describes genetic drift as a mechanism for evolutionary change. A population genetics simulator is used to show the importance of large population size in neutralizing random change. The near extinction of the northern elephant is used as an example of the bottleneck effect. The high incidence of total colorblindness due to a typhoon that hit the small island of Pingelap is also included.

Un œil sur l’évolution - Comprendre l’adaptation génétique

10 Janvier 2012,

Publié par JMB

Un article paru sur le site Internet du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada

Les voyages dans le temps relèvent peut-être de la science-fiction, mais l’équipe de recherche de Sarah Otto a recours à la cartographie génomique – une science bien réelle – pour repérer et identifier les gènes sur un chromosome. Elle fournit ainsi une fenêtre d’observation pour suivre l’évolution génétique sur 1 800 générations.

Cette professeure de zoologie à la University of British Columbia combine l’étude de l’évolution et la génomique pour observer les adaptations dans le matériel génétique de la levure de bière (Saccharomyces cerevisiae).

Une bonne compréhension de la façon d’empêcher l’adaptation génétique d’un organisme ouvre la voie à une application fort utile : la lutte contre les maladies dangereuses.

« L’histoire évolutive de tous les organismes vivants, y compris la levure, s’échelonne sur trois milliards d’années, explique Mme Otto. Au cours de cette période, les ancêtres de la levure ont dû recourir à l’adaptation génétique pour survivre dans un monde en pleine évolution. Après avoir adapté les organismes à des environnements difficiles, nous scrutons leur génome pour voir comment ils réagissent. »

« Les leçons tirées de l’évolution expérimentale peuvent aussi nous aider à adapter les pharmacothérapies de manière à éviter l’évolution de la résistance aux antibiotiques, ajoute-t-elle. Au lieu de viser la préservation de la biodiversité, nous cherchons à mettre les bactéries ou les champignons pathogènes à l’épreuve au-delà des limites de l’adaptation afin de les détruire dans l’organisme du patient. »

L’équipe de recherche de Sarah Otto accélère le processus évolutif en observant la levure qui se reproduit rapidement, tout en modifiant son environnement, par exemple grâce à l’ajout de métaux lourds ou de sel, qui l’oblige à se dépasser pour survivre.

Il suffit de comparer le génome dans le nouvel environnement et dans l’environnement précédent pour comprendre les mutations génétiques exactes qui se sont produites. Auparavant, les biologistes pouvaient observer uniquement les changements extérieurs sur un organisme qui s’adapte. Mais comme ils ont rarement fait le lien entre ces adaptations et ce qui se produisait sur le plan génétique, il est difficile de tester et de perfectionner les théories portant sur la base génétique de l’adaptation. L’observation du processus d’évolution génétique permet d’évaluer les théories évolutives.

L’équipe de recherche de Mme Otto a notamment constaté que les organismes peuvent avoir des réactions étonnantes. En termes simples, ils utilisent les outils génétiques les plus facilement accessibles. « Il est possible que le marteau constitue le meilleur outil dans la “boîte à outils génétique”, indique la chercheuse appuyée par le CRSNG. Mais s’il lui faut moins de temps pour prendre un tournevis et utiliser son manche afin d’enfoncer un clou, la levure optera parfois pour ce type d’évolution. »

Les travaux de Mme Otto pourraient bien nous aider à mieux comprendre les répercussions des humains sur la biodiversité de notre planète. « Les organismes peuvent s’adapter à un certain nombre de changements environnementaux, précise-t-elle. Mais, à un moment donné, cela devient trop difficile, et ils disparaissent. Les expériences comme les nôtres aident à définir les limites des changements évolutifs et à comprendre que ces limites varient en fonction de la combinaison exacte des changements environnementaux auxquels l’organisme fait face. »

Comment les bactéries survivent-elles à basse température ?

25 Janvier 2010,

Publié par JMB

Les bactéries, qu'elles soient pathogènes ou non, doivent adapter leur croissance aux changements environnementaux, comme les variations de température. Des chercheurs du CNRS (laboratoire Architecture et réactivité de l'ARN), de l'Université de Camerino (Italie) et de Düsseldorf (Allemagne) ont découvert que c'est la structure de l'ARN qui s'adapte à la température et permet ainsi de traduire les protéines nécessaires à la survie des bactéries. Ces résultats sont publiés dans la revue Molecular Cell du 15 janvier 2010.

Schematic-Representation-of-the-Secondary-Structures-of-csp.jpgIl a déjà été démontré que lors d'une chute brutale de température, les processus de transcription (production d'ARN à partir d'ADN) et de traduction (production de protéine à partir d'ARN messager) sont fortement affectés. Cependant à basse température, les protéines de la famille CspA (cold shock protein) sont plus nombreuses. Ces protéines dites "d'adaptation au froid" sont issues de la traduction d'une douzaine de gènes. Ce sont des protéines « chaperonnes » de l'ADN et de l'ARN, elles se fixent aux acides nucléiques et facilitent ainsi la plupart des processus fondamentaux (transcription, traduction, dégradation de l'ARN, assemblage des ribosomes…). (The left figure shows a "Schematic Representation of the Secondary Structures of cspA mRNA Fragments of Increasing Length. The depicted structures are derived from the results of the enzymatic and chemical probing of 87cspA RNA, 137cspA RNA, 187cspA RNA, and full-length cspA mRNA performed at the indicated temperatures. The SD sequence (red), the start codon (blue), and the putative S1-binding site (green) are indicated. Nucleotides are numbered taking the transcriptional start site as +1.")

Les chercheurs du laboratoire Architecture et réactivité de l'ARN (CNRS), de l'Université de Camerino (Italie) et de l'Université de Düsseldorf (Allemagne) ont montré que la structure de l'ARN messager (ARNm) qui  code pour la protéine majeure de réponse au froid, CspA, est capable de « ressentir » la température. Ils ont noté que l'ARNm naissant adopte une structure qui est instable et transitoire à haute température, mais qui est stabilisée à basse température. Cette structure favorise la traduction à basse température, révélant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine CspA est produite en quantité importante pour répondre au stress.

Cette étude met en lumière un mécanisme moléculaire inédit où la structure de l'ARNm s'adapte d'elle-même à la température. Le changement de structure de cet ARNm sans l'intervention de protéines peut être considéré comme un mécanisme primitif de régulation. L'ARNm exerce donc bien une fonction clé dans la régulation des gènes, et particulièrement dans les processus adaptatifs. La découverte de ces nouvelles macromolécules régulatrices ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour inhiber la croissance bactérienne.

Source : CNRS -espace presse-

Référence : The cspA mRNA is a thermosensor which modulates translation of the cold-shock protein CspA. Molecular Cell,
Volume 37, Issue 1, 21-33, 15 January 2010
 Anna Maria Giuliodori
1, Fabio Di Pietro1, Stefano Marzi2, Benoit Masquida2, Rolf Wagner3, Pascale Romby2Go To Corresponding Author , Claudio O. Gualerzi1Go To Corresponding Author  and Cynthia L. Pon1

Corresponding author
Corresponding author

Summary: Cold induction of cspA, the paradigm Escherichia coli cold-shock gene, is mainly subject to posttranscriptional control, partly promoted by cis-acting elements of its transcript, whose secondary structure at 37°C and at cold-shock temperature has been elucidated here by enzymatic and chemical probing. The structures, which were also validated by mutagenesis, demonstrate that cspA mRNA undergoes a temperature-dependent structural rearrangement, likely resulting from stabilization in the cold of an otherwise thermodynamically unstable folding intermediate. At low temperature, the cold-shock structure is more efficiently translated and somewhat less susceptible to degradation than the 37°C structure. Overall, our data shed light on a molecular mechanism at the basis of the cold-shock response, indicating that cspA mRNA is able to sense temperature downshifts, adopting functionally distinct structures at different temperatures, even without the aid of trans-acting factors. Unlike with other previously studied RNA thermometers, these structural rearrangements do not result from melting of hairpin structures.

Bacteria 'invest' wisely to survive uncertain times, scientists report

3 Novembre 2009,

Publié par JMB

Like savvy Wall Street money managers, bacteria hedge their bets to increase their chances of survival in uncertain times, strategically investing their biological resources to weather unpredictable environments.

In a new study available online and featured on the cover of today's issue of Cell, UT Southwestern Medical Center researchers describe how bacteria play the market so well. Inside each bacterial cell are so-called genetic circuits that provide specific survival skills. Within the bacteria population, these genetic circuits generate so much diversity that the population as a whole is more tolerant of - and is more likely to survive - a wide range of variability in the environment.

"We have found that a particular genetic circuit is responsible for generating diversity within the bacteria population," said senior author Dr. Gürol Süel, assistant professor of pharmacology and in the Cecil H. and Ida Green Comprehensive Center for Molecular, Computational and Systems Biology
  at UT Southwestern.

This diversity, like a diversified investment portfolio, means that each bacterium has characteristics that allow it to survive under certain conditions, said Dr. Süel. "When conditions are highly variable, some individual bacteria are equipped to thrive in the highs or lows, while others tank," he said. "It's like the stock market. If you invest all your money in just one stock, and conditions change to lessen or completely eliminate its value, you won't survive financially. Similarly, in the case of these bacteria, if all the cells were adapted to only a small, rigid set of environmental factors, the population would be wiped out if conditions unexpectedly changed.

"There seems to be an optimization going on in these organisms," he added.

By generating diversity, genetic circuits ensure enough cells will survive to carry over the population, especially in times of variable conditions, Dr. Süel explained. Essentially, variability of bacterial cells appears to match the variability in the environment, thereby increasing the chances of bacterial survival, he said.

Genetic circuits are distinct sets of genes and proteins within cells that interact in a specific pattern, resulting in some biological process. In this study, the researchers focused on a genetic circuit within a bacterium that controls the transformation of bacteria cells in and out of a state called competence. Differences in the duration of the competence state have particular survival advantages, depending on the environmental conditions.

Biological "noise" in the genetic circuit, which comes from random fluctuations in the chemical reactions involved in the pattern of interactions, is similar to the undesirable noise - like static heard on AM radio - found in electrical circuits. In biological systems, however, biochemical "noise" is beneficial. In fact, it is the root mechanism that drives diversity within the bacteria population. Dr. Süel previously found that when noise reaches a certain level in some genetic circuits, it can prompt cells to transform from one cellular state to another.

For the current study, the researchers went beyond studying the native genetic circuit. Just as electronic maps can find alternate routes between two points, the UT Southwestern researchers also developed an alternative, synthetic genetic circuit that used a different architecture - or route - to accomplish the same function as the native circuit.

Dr. Süel believes his group is the first to insert such a synthetic genetic circuit into living bacterium and show that it can replace the biological function of the native version. He said his team was surprised to find that the behavior of the synthetic circuit was most precise, essentially generating less noise. The result was a population less diverse than the natural one. They were even more surprised to find that the lack of precision - or greater noisiness - in the native circuit ultimately allows bacteria to survive in a wider range of environments.

"It turns out that sometimes being sloppy can be good," Dr. Süel said. "For these bacteria, the more variable they are, the better they will be able to perform because they can adapt to a wider range of environments."

Dr. Süel said this approach of engineering alternative genetic circuits can in principle be applied even to human cells and possibly help explain why diseased cells have different survival capabilities than healthy ones.

Source: UT Southwestern Medical Center, and Physorg.com

Le fardeau génétique

7 Octobre 2009,

Publié par JMB

Un article de Caroline Dangléant, dans "Le journal du CNRS" n°224 septembre 2008 :

Quand deux mutations valent mieux qu'une !


Mauvaise nouvelle pour les humains… D'habitude, quand des moustiques deviennent résistants à un insecticide, ils sont plus vulnérables. Des chercheurs montrent que ce n'est plus tout à fait vrai pour ceux qui résistent aux deux insecticides les plus répandus.


On n'a rien sans rien ! Parole de moustique. En effet, sur le chemin de l'évolution, certains d'entre eux développent une résistance à tel ou tel insecticide. Mais ce phénomène s'accompagne de ce que les scientifiques appellent un « fardeau génétique ». En clair, la mutation génétique rend l'animal insensible au produit, mais s'accompagne d'une moins bonne espérance de vie dans un milieu sans insecticide. Une aubaine pour adapter nos stratégies de lutte contre ce diptère vecteur de très nombreuses maladies : en alternant dans le temps ou dans l'espace l'utilisation des différentes classes d'insecticides, il est possible de limiter le nombre d'insectes résistants. Seulement voilà, des chercheurs de Montpellier1 viennent de montrer que ce précepte ne se vérifie pas toujours. Ils ont en effet découvert que les moustiques qui ont muté pour résister simultanément aux deux classes d'insecticides les plus répandues, les organophosphorés (OP) et les pyréthrinoïdes, sont eux beaucoup moins handicapés que leurs confrères « simples mutants ».
Pour obtenir ce résultat, nos chercheurs ont tout d'abord créé par croisement quatre souches de moustiques génétiquement identiques sauf au niveau des gènes de résistance : la première souche regroupait les individus non mutés, la deuxième ceux insensibles aux insecticides de type OP, la troisième ceux résistants aux pyréthrinoïdes et la quatrième souche représentait les « doubles mutants ». Les scientifiques ont alors comparé le taux de survie des larves de chaque souche face à leurs prédateurs. Et là, surprise ! Même s'ils restent légèrement désavantagés par rapport aux moustiques non mutés, les progénitures des « doubles mutants » survivent mieux que celles des « simples mutants ». Pour expliquer ce résultat, un détour par les mécanismes sous-jacents aux mutations s'impose.
Les insecticides organophosphorés sont des substances neurotoxiques : leurs molécules se fixent à la place d'un neurotransmetteur, l'acétylcholine (ACh), sur le site actif de l'enzyme chargée de dégrader l'ACh. Résultat : le neurotransmetteur s'accumule, les messages nerveux deviennent continus et le moustique meurt, en quelque sorte, d'hyperactivité. La forme mutée du gène, appelée ace-1R et découverte en 2003 par l'équipe de Mylène Weill, produit une enzyme sur laquelle les OP ne peuvent se lier : l'insecticide devient donc inactif. « En identifiant ce gène de résistance nous avons pu prouver que le fardeau génétique des moustiques mutés découle de l'insensibilité aux OP », explique la chercheuse. En effet, le nouveau handicap semble provenir du fait que l'enzyme ainsi mutée dégrade moins bien l'acétylcholine, provoquant un petit excès de cette dernière, et perturbe les messages nerveux. Un vrai fardeau !
Quant aux pyréthrinoïdes, leur action s'exerce dans les fibres nerveuses et se traduit par une inhibition de la libération d'ACh dans la synapse et une mort par paralysie. Ici aussi, sans entrer dans les détails, la mutation qui permet de résister aux pyréthrinoïdes joue sur la quantité d'ACh. Mais en l'occurrence, elle se traduit cette fois par un léger déficit.
Un excès d'ACh dans un cas, un déficit dans l'autre… L'énigme est presque résolue : chez les moustiques qui ont la double mutation, les deux processus s'équilibrent à peu près, diminuant ainsi le fardeau qu'ils entraînent habituellement. De fait, cette double résistance pourrait être amenée à se maintenir plus facilement dans les populations naturelles. Une funeste nouvelle pour le continent africain, principal utilisateur de ces deux classes d'insecticides.
Outre l'apport d'informations précieuses pour l'étude des processus évolutifs, identifier les mécanismes génétiques de résistance permet de guider le choix des insecticides à utiliser. Mais le problème n'est pas résolu pour autant : la gamme d'insecticides disponibles ne cesse de se restreindre avec l'apparition de nouvelles résistances. Et même si la recherche avance dans ce secteur, les industries agrochimiques ne s'intéressent pas à la commercialisation d'insecticide spécifique aux moustiques, faute de retombées financières suffisantes. En France, le principal insecticide employé aujourd'hui est un mélange de quatre toxines bactériennes, le BTI. Mylène Weill s'inquiète : « Il faudra un peu plus de temps aux moustiques pour devenir résistants aux quatre toxines du BTI, mais cela arrivera et cela peut très bien être dans la prochaine décennie ! »

Notes : 1. Institut des sciences de l'évolution de Montpellier (Isem, CNRS / Université Montpellier-II), Laboratoire de lutte contre les insectes nuisibles (IRD) et Laboratoire « Génétique et évolution des maladies infectieuses » (CNRS / IRD).


Contact:
Mylène Weill
Institut des sciences de l'évolution de Montpellier (Isem)
mylene.weill@univ-montp2.fr

Tree of Life web project

4 Septembre 2009,

Publié par JMB

The Tree of Life Web Project is a collection of information about biodiversity compiled collaboratively by hundreds of expert and amateur contributors. Its goal is to contain a page with pictures, text, and other information for every species and for each group of organisms, living or extinct. Connections between Tree of Life web pages follow phylogenetic branching patterns between groups of organisms, so visitors can browse the hierarchy of life and learn about phylogeny and evolution as well as the characteristics of individual groups.

For background information about the Tree of Life Web Project, see this article in the special issue of the journal Zootaxa, Linnaeus Tercentenary: Progress in Invertebrate Taxonomy:

Maddison, D. R., K.-S. Schulz, and W. P. Maddison. 2007. The Tree of Life Web Project. Pages 19-40 in: Zhang, Z.-Q. & Shear, W.A., eds. Linnaeus Tercentenary: Progress in Invertebrate Taxonomy. Zootaxa 1668:1-766. Open Access: Abstract (PDF; 20KB) | Full article (PDF; 830KB)