Comment le bacille de la tuberculose a appris à respirer en absence d'oxygène
Publié par Adrien le 04/12/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSB
Le bacille de la tuberculose, Mycobacterium tuberculosis, peut persister pendant des décennies dans les poumons des individus infectés avant qu'il ne se réactive et déclenche la maladie. Cette étape "dormante" de la vie du bacille se déroule dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...) très pauvre en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.): le granulome. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de pharmacologie et de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de...) structurale ont découvert que cette capacité à survivre en absence d'oxygène a été acquise grâce à un événement de transfert horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou...) de gènes depuis des bactéries du sol vers l'ancêtre de M. tuberculosis, quand celui-ci vivait dans l'environnement. Ces résultats publiés le 27 novembre 2017 dans la revue PLOS Pathogens, portent un éclairage nouveau sur la compréhension de l'évolution de M. tuberculosis depuis une bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent...) environnementale vers le pathogène (Le terme pathogène (du grec παθογ?νεια ! « naissance de la douleur »)...) le plus meurtrier chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement...) qu'il est devenu aujourd'hui.


Figure. L'acquisition horizontale par l'ancêtre environnemental de M. tuberculosis d'un groupe de gènes codant le cofacteur à molybdène (Moco) depuis la bactérie B. vietnamiensis ou une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique....) proche, a permis au cours de l'évolution à M. tuberculosis de réagir de manière rapide au stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans...) hypoxique rencontré dans le granulome dans le poumon (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de...) humain et d'y survivre de façon dormante en respirant les nitrates.
© Françoise Viala

La tuberculose (La tuberculose est une maladie infectieuse transmissible et non immunisante, avec des signes cliniques variables. Elle est provoquée par une mycobactérie du complexe tuberculosis correspondant à différents germes...) est encore selon l'Organisation (Une organisation est) Mondiale de la Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) la maladie infectieuse (Une maladie infectieuse est une maladie provoquée par la transmission d'un micro-organisme : virus, bactérie, parasite, champignon. Les virus ne sont pas vivants, mais, comme le...) la plus meurtrière (Une meurtrière (ou archère, archière, raière ainsi qu’arbalétrière après l'invention de l'arbalète) est une ouverture pratiquée dans une muraille défensive pour...), avec plus de 10 millions de nouveaux cas et 1,7 millions de décès en 2016.

Une des propriétés les plus intrigantes et méconnues du bacille de la tuberculose, Mycobacterium tuberculosis, est sa capacité à persister pendant des années et jusqu'à des décennies dans les poumons des individus contaminés. Cette période dite de "dormance" dans le cycle infectieux du bacille se déroule dans des lésions pulmonaires caractéristiques de la maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) appelées "granulomes". Les granulomes étant des structures très pauvres en oxygène, M. tuberculosis dispose de mécanismes alternatifs de respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz carbonique », et absorption de dioxygène O2,...).

La respiration telle qu'on l'entend communément consiste en une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de réactions d'oxydo-réduction dans laquelle l'accepteur final d'électrons est le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de...) (O2), qui est alors réduit en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (H2O). En absence d'oxygène, certaines bactéries ont la possibilité d'utiliser d'autres accepteurs finaux d'électrons. Dans le cas de M. tuberculosis, la bactérie utilise les nitrates (NO3-) qu'elle réduit en nitrites (NO2-), des molécules toxiques qui sont ensuite soit rejetées à l'extérieur de la bactérie, soit transformées en ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet et...). Cette réduction des nitrates en nitrites s'effectue grâce à une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer...), la nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion nitrate est NO3−.) réductase. Pour fonctionner, cette enzyme nécessite un cofacteur contenant du molybdène appelé Moco.

Les chercheurs ont montré que la capacité de M. tuberculosis à synthétiser rapidement Moco quand l'oxygène s'appauvrit repose sur un groupe de gènes acquis par un mécanisme dit de "transfert horizontal" par l'ancêtre du bacille à partir d'une bactérie du sol, Burkholderia vietnamiensis ou une bactérie proche de cette espèce. Si ces gènes sont absents (après délétion génétique), le bacille ne respire plus les nitrates et ne survit plus en absence d'oxygène in vitro et in vivo.

De façon surprenante, M. tuberculosis, comme toutes les mycobactéries, possède d'autres groupes de gènes possiblement impliqués dans la synthèse de Moco ; cependant, seule l'expression des gènes acquis horizontalement est rapidement induite lors d'un stress hypoxique de façon à démarrer immédiatement la synthèse de Moco.

Ces résultats confirment l'hypothèse communément admise que l'ancêtre de M. tuberculosis était probablement une bactérie environnementale, et identifient une étape cruciale dans l'évolution du bacille vers un pathogène humain dévastateur. Ils permettent également d'envisager de nouvelles approches thérapeutiques pour cibler les bacilles dormants en inhibant la synthèse de Moco.
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