| | Tous les organismes procaryotes (dépourvus de noyau) possèdent des protéines spécialisées (gyrase et gyrase inverse), enzymes capables d'enrouler la double hélice d'ADN sur elle-même (dans un sens ou dans l’autre). Les organismes hyperthermophiles (vivant à des températures comprises entre 70 et 110 °C), comme la bactérie Thermotoga maritima, possèdent tous une gyrase inverse, censée protéger l’ADN des risques de dénaturation par la température. En effet, la gyrase inverse augmente le degré d'entrelacement des deux brins de l'ADN en créant un « surenroulement positif » de la double hélice. L’ADN gyrase n’a été trouvée jusqu’à présent que chez les eubactéries (les bactéries « classiques », par opposition aux archaebactéries, découvertes il y a une vingtaine d’années). Olivier Guipaud, Evelyne Marguet et Patrick Forterre, de l’Institut de génétique et microbiologie (CNRS-Université Paris 11) à Orsay, ont montré, contre toute attente, que T. maritima contenait également une gyrase. Cette enzyme crée du surenroulement négatif et donc, a priori, déstabilise la double hélice. Cette gyrase hyperthermophile a un optimum d’activité entre 82 et 84 °C. D’autre part, l’équipe de Patrick Forterre a montré que l’ADN de Thermotoga est surenroulé négativement, contrairement à celui des archaebactéries hyperthermophiles, qui est relâché ou positif. Ce résultat montre que c'est la gyrase et non la gyrase inverse qui détermine l'état de surenroulement de l'ADN chez Thermotoga. La mise en évidence d’un surenroulement négatif dû à l’action d’une ADN gyrase chez les bactéries hyperthermophiles remet en question l’hypothèse selon laquelle la gyrase inverse protégeait l’ADN de la dénaturation par la chaleur.
L’ADN est une molécule fragile que de nombreux agents peuvent endommager. La température, en particulier, peut le dénaturer en rompant les liaisons chimiques qui unissent les deux brins formant la double hélice. Chez les procaryotes, chez qui l’ADN n’est pas protégé au sein d’un noyau, existent des enzymes conférant à la double hélice un enroulement supplémentaire. Appelées ADN gyrase et gyrase inverse, elles appartiennent à la famille des topoisomérases et peuvent surenrouler l’ADN, négativement dans le cas de la première, positivement dans celui de la seconde. Jusqu’à maintenant, la gyrase inverse a été trouvée chez tous les organismes dits hyperthermophiles, dont la température optimale de croissance est de 70 °C ou plus, tandis que l’ADN gyrase n’avait jusque là été isolée qu’à partir d’organismes mésophiles, adaptés aux températures de vie qui nous sont familières. La gyrase inverse est présente chez les archaebactéries et les bactéries (ou eubactéries), qui constituent les deux domaines d’organismes procaryotes. L’ADN gyrase, en revanche, n’a été trouvée que chez les bactéries.
La présence de la gyrase inverse chez les archaebactéries hyperthermophiles a été mise en relation avec l’état topologique particulier de leurs éléments génétiques (plasmides et ADN viral), qui va de « relâché » à « surenroulé positivement », tandis que les plasmides (éléments extrachromosomiques circulaires) des bactéries et des archaebactéries mésophiles sont surenroulés négativement sous l’effet de l’ADN gyrase. Ces données avaient conduit à l'hypothèse suivante : l'apparition de la gyrase inverse au cours de l'évolution des procaryotes aurait permis l'adaptation aux très hautes températures en stabilisant la double hélice d'ADN, tandis que celle de la gyrase aurait permis l'adaptation aux basses températures en activant l'ADN chez les mésophiles.
Ce modèle est maintenant remis en question par une découverte récente de Patrick Forterre et de ses collaborateurs de l’Institut de génétique et microbiologie (CNRS-Université Paris-Sud) à Orsay. En examinant le contenu enzymatique d’une bactérie hyperthermophile, Thermotoga maritima, qui vit dans des conditions anaérobies (en absence d’oxygène) dans des sources maritimes chaudes au large de l’Italie, ces chercheurs ont en effet découvert que ce micro-organisme possédait une ADN gyrase. Les travaux de Michel Duguet et de ses collaborateurs du même Institut avaient montré par ailleurs que Thermotoga maritima contenait bien une gyrase inverse, comme tout organisme hyperthermophile. Ainsi, contrairement à l’hypothèse selon laquelle la présence de chacune de ces deux enzymes constituait une adaptation spécifique à la température du milieu, ces deux activités enzymatiques antagonistes, gyrase et gyrase inverse, peuvent coexister au sein d’un même organisme. Mais alors, sous quelle forme topologique se trouve l’ADN chez Thermotoga maritima - positive, relâchée ou négative ?
Pour répondre à cette question, l'équipe de Patrick Forterre a étudié le surenroulement du plasmide d’une souche proche de T. maritima : le plasmide pRQ7 de la souche Thermotoga sp. RQ7. Les résultats ne font que remettre encore plus en question le rôle protecteur vis-à-vis de la température de la gyrase inverse. Dans les cellules cultivées à 80 °C, le plasmide pRQ7 est, en effet, surenroulé négativement. La gyrase est bien responsable de cet état : en effet, lorsqu’on ajoute de la novobiocine, un antibiotique inhibant l’activité de la gyrase, aux cellules en croissance, l’enroulement de pRQ7 devient rapidement positif.
Ainsi, contrairement à l’idée selon laquelle la gyrase inverse, en augmentant le nombre de liens topologiques, joue un rôle majeur dans la stabilisation de l’ADN à haute température, les chercheurs ont montré qu’un surenroulement négatif, induit par une gyrase, n’est pas désavantageux pour un organisme hyperthermophile.
Quel peut donc être le rôle de la gyrase inverse chez les hyperthermophiles s’ils peuvent supporter un surenroulement négatif ? Est-elle vraiment liée à la vie à haute température ? La présence de cette enzyme chez tous les hyperthermophiles et son absence, jusqu’à présent, chez les mésophiles, suggèrent une réponse positive à cette question. Toutefois, il serait certainement intéressant de continuer de la chercher chez les archaebactéries, en particulier chez certaines archaebactéries récemment découvertes dans des environnements froids ou chez des parentes mésophiles des Thermotogales. Il est possible que la gyrase inverse n’agisse pas sur le surenroulement de l’ensemble de la molécule d’ADN, mais contrecarre des processus spécifiques qui pourraient la déstabiliser à haute température, notamment lors de la transcription. Il est aussi possible que cette enzyme joue le rôle de « reformatase » en éliminant les structures d’ADN anormales apparaissant à la faveur de températures élevées (structures cruciformes, par exemple) et qui peuvent être déstabilisées par un surenroulement positif.
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