Si vous regardez vos cellules au microscope, vous verrez que presque toutes contiennent un noyau, des mitochondries et d'autres équipements. Les cellules eucaryotes, cellules avec un noyau, sont à la base de toute la vie complexe des champignons, des plantes et de nous. Le passage d'une cellule procaryote à une cellule complexe est profondément important pour l'évolution de la vie, mais comment cela s'est-il produit ?

L'explication privilégiée est qu'un archéon a avalé une bactérie. Les deux ont développé une relation symbiotique et ont évolué en eucaryotes. Cette explication me dérange légèrement car elle nécessite que la paire fasse beaucoup de travail rapidement, mais je suppose que si les archées mangent des bactéries des millions et des millions de fois par jour, alors elles font beaucoup de tentatives.

David Baum, professeur de botanique et biologiste de l'évolution à l'Université du Wisconsin-Madison, a proposé un nouveau modèle d'évolution des eucaryotes. Son modèle est à l'envers et, pour un non-biologiste comme moi, il semble plausible.

Baum et son cousin Buzz Baum de l'UCL soutiennent que les archées ont développé des saillies appelées bulles, des petits bras si vous voulez. Ceux-ci ont permis aux cellules de mieux interagir avec leur environnement. En cours de route, ils ont rencontré des bactéries et ont commencé à développer des moyens d'exploiter l'énergie des bactéries, alors que les bactéries étaient encore à l'extérieur de la cellule. Les cellules qui le faisaient mieux survivaient plus souvent et se reproduisaient jusqu'à ce qu'elles aient englouti la bactérie.

Modèle intérieur-extérieur pour l'évolution de l'organisation des cellules eucaryotes. Modèle montrant l'évolution par étapes de l'organisation cellulaire eucaryote à partir de (A) un ancêtre éocyte avec une seule membrane de liaison et une paroi cellulaire riche en glycoprotéines (couche S) interagissant avec des α-protéobactéries épibiotiques (proto-mitochondries). (B) Nous envisageons la cellule éocyte formant des saillies, aidées par des interactions protéine-membrane au niveau du col de la saillie. Ces saillies ont facilité l'échange de matériel avec les proto-mitochondries. (C) La sélection d'une plus grande zone de contact entre les symbiotes aurait conduit à l'élargissement de la bulle et à la perte éventuelle de la couche S des saillies. (D) Les bulles auraient ensuite été stabilisées davantage par le développement d'un complexe d'anneau externe de pore nucléaire symétrique (Figure 2) et par l'établissement de complexes LINC qui, suite à la perte progressive de la couche S, ont physiquement connecté le corps cellulaire d'origine (le compartiment nucléaire naissant) aux membranes internes de la bulle. (E) Avec l'expansion des bulles pour enfermer les proto-mitochondries, un processus qui aurait facilité l'acquisition de la machinerie bactérienne de biosynthèse des lipides par l'hôte, le site de croissance cellulaire se serait progressivement déplacé vers le cytoplasme, facilité par le développement de trafic réglementé à travers le pore nucléaire. Parallèlement, les espaces entre bulles auraient permis la maturation progressive des protéines sécrétées dans le milieu via l'espace périnucléaire par glycosylation et clivage protéolytique. (F) Enfin, la fusion des bulles aurait relié les compartiments cytoplasmiques et entraîné la formation d'une membrane plasmique intacte, peut-être par un processus apparenté à la phagocytose par lequel une bulle enveloppait l'ensemble. Cette transition topologique simple aurait isolé le réticulum endoplasmique du monde extérieur, entraîné le développement complet d'un système de trafic vésiculaire et établi une transmission verticale stricte des mitochondries, conduisant à une cellule à l'organisation cellulaire eucaryote moderne. Baum et Baum BMC Biologie 2014 12:76 doi:10.1186/s12915-014-0076-2
Modèle de l'évolution de l'organisation cellulaire eucaryote de l'intérieur vers l'extérieur. Ce modèle illustre l'évolution progressive de l'organisation cellulaire eucaryote à partir de : (A) un ancêtre éocyte doté d'une membrane unique et d'une paroi cellulaire riche en glycoprotéines (couche S) interagissant avec des α-protéobactéries épibiotiques (proto-mitochondries) ; (B) nous envisageons la formation de protrusions par l'éocyte, favorisée par des interactions protéine-membrane au niveau du col de la protrusion. Ces protrusions facilitaient les échanges de matériel avec les proto-mitochondries ; (C) la sélection d'une plus grande surface de contact entre les symbiotes aurait conduit à l'agrandissement des protrusions et à la disparition progressive de la couche S. (D) Les vésicules auraient ensuite été davantage stabilisées par le développement d'un complexe annulaire externe symétrique du pore nucléaire (Figure 2) et par l'établissement de complexes LINC qui, suite à la disparition progressive de la couche S, reliaient physiquement le corps cellulaire initial (le compartiment nucléaire naissant) aux membranes internes des vésicules. (E) Avec l'expansion des vésicules pour englober les proto-mitochondries, un processus qui aurait facilité l'acquisition par l'hôte de la machinerie de biosynthèse des lipides bactériens, le site de croissance cellulaire se serait progressivement déplacé vers le cytoplasme, facilité par le développement d'un trafic régulé à travers le pore nucléaire. Simultanément, les espaces entre les vésicules auraient permis la maturation progressive des protéines sécrétées dans le milieu via l'espace périnucléaire par glycosylation et clivage protéolytique. (F) Enfin, la fusion des vésicules aurait connecté les compartiments cytoplasmiques et induit la formation d'une membrane plasmique intacte, peut-être par un processus similaire à la phagocytose où une vésicule englobait l'ensemble. Cette simple transition topologique aurait isolé le réticulum endoplasmique du milieu extérieur, induit le développement complet d'un système de trafic vésiculaire et établi une transmission verticale stricte des mitochondries, aboutissant à une cellule présentant l'organisation cellulaire eucaryote moderne. (Baum et Baum, BMC Biology 2014 ; 12:76 ; doi:10.1186/s12915-014-0076-2)

Ce que j'aime, c'est qu'il y a des étapes pour amener la bactérie à l'intérieur de la cellule, au lieu de Pouah ! c'est là et tout doit évoluer maintenant. C'est probablement une simplification excessive et injuste du modèle standard, mais le modèle de l'intérieur vers l'extérieur a du sens car chaque étape du chemin semble soit utiliser le matériel dont il dispose déjà, soit conférer un petit avantage pour la survie en soi.

Alors que l'événement s'est produit il y a des milliards d'années, Baum et Baum ont quelques idées sur la façon dont ils peuvent tester l'idée. Les données génétiques pourraient aider à indiquer qu'un modèle à l'envers est plus probable que le modèle standard. Leur modèle prédit que certaines parties de la cellule se sont développées dans l'ordre opposé au modèle standard, bien que j'admette que je ne comprends pas les détails de la façon dont "Les coatomères de type COPII sont dérivés de composants structurels du pore nucléaire, plutôt que l'inverse". Cependant, je peux voir une liste de prédictions claires que Baum et Baum font que quelqu'un peut tester, même si ce n'est clairement pas moi.

Les données fossiles seraient bien, mais hautement improbables, mais il y a une autre prédiction. Si les procaryotes peuvent obtenir un avantage en développant des bulles pour interagir avec les bactéries, alors il devrait être possible de voir certains procaryotes dans la nature qui ressemblent au premier eucaryote avant qu'il n'engloutisse son partenaire.

Mieux encore, c'est un article très positif. Baum et Baum ne se contentent pas de dire que tout le monde a tort, ils proposent de nouveaux sujets de recherche et de nouvelles choses à étudier, de nouvelles façons d'aborder les problèmes. Même s'il s'avère qu'ils se trompent, ils pourraient se tromper d'une manière vraiment intéressante et utile.

Vous pouvez récupérer le document via Open Access de BMC Biology.

Baum DA & Baum B. (2014). Une origine à l'envers pour la cellule eucaryote,

BMC Biologie, 12

(1) 76. DOI : http://dx.doi.org/10.1186/s12915-014-0076-2