Les pieuvres modifient leurs protéines pour éviter que leur cerveau ne gèle
Les pieuvres ont trouvé un moyen incroyable de protéger les éléments les plus délicats de leur système nerveux contre les brusques changements de température. Lorsque les températures fluctuent, elles peuvent rapidement recoder des protéines essentielles dans leurs cellules nerveuses, garantissant ainsi que les activités neurologiques indispensables restent fonctionnelles lorsque les températures chutent de façon spectaculaire.
Image d’entête : pieuvre à deux points de Californie (Octopus bimaculoides). (Roger T. Hanlon/ Marine Biological Laboratory)
Comment y parviennent-elles ? En déployant un rare pouvoir, celui de modifier leur ARN à la volée, une capacité que l’on retrouve chez certaines espèces de pieuvres, de calamars et de seiches. Il s’agit d’une stratégie inhabituelle, mais qui semble efficace, et les scientifiques pensent qu’elle pourrait être largement adoptée dans l’ensemble du monde des céphalopodes.
Selon le biologiste marin Joshua Rosenthal du Marine Biological Laboratory de l’université de Chicago, auteur principal de cette nouvelle recherche (lien plus bas) :
Nous pensons généralement que notre information génétique est fixe, mais l’environnement peut influencer la manière dont vous codez les protéines, et chez les céphalopodes, cela se produit à grande échelle. Le recodage de l’ARN permet aux organismes d’exprimer une gamme variée de protéines au moment et à l’endroit de leur choix. Chez les céphalopodes, la plupart des recodages concernent des protéines vraiment importantes pour le fonctionnement du système nerveux. La question naturelle est donc de savoir s’ils utilisent ces recodages pour s’acclimater aux changements de leur environnement physique.
Nos propres instructions génétiques de survie peuvent changer, mais cela tend à se produire lentement, avec des modifications générationnelles de l’ADN. Les variations du code génétique déterminent la forme et la fonction finales des protéines individuelles qui construisent notre corps, y compris les systèmes et les supports structurels à l’intérieur de notre cerveau.
Cependant, l’ADN ne fabrique pas directement les protéines. Ces instructions codées chimiquement restent dans le noyau de vos cellules, émettant des modèles par l’intermédiaire d’une molécule intermédiaire appelée ARN messager (ou ARNm), qui se déplace du noyau vers le milieu environnant pour alimenter de minuscules machines à construire des protéines. Dans la plupart des organismes, ce processus est assez simple : une fois le modèle émis, l’ARN ne subit plus aucune modification. Chez les céphalopodes, cependant, les choses sont un peu différentes.
En 2017, des scientifiques ont découvert que les calmars, les seiches et les pieuvres peuvent modifier l’ARN une fois qu’il a quitté le noyau, en l’éditant à la volée, ce qui permet une réponse physiologique rapide… mais à quoi ?
Certains scientifiques ont pensé que c’était peut-être la raison pour laquelle les céphalopodes sont si étrangement et curieusement intelligents, mais la raison de ce phénomène nous a échappé et a déconcerté les scientifiques.
L’adaptation à des changements environnementaux temporaires semblait être une explication plausible. Les organismes marins sont soumis à une large gamme de températures, et les pieuvres n’ont pas la capacité de se thermoréguler volontairement. L’édition de l’ARN offrirait la possibilité de changer, et de changer encore selon les conditions, sans la mise en œuvre sur le long terme et la permanence relative de l’édition de l’ADN. Sous la direction du biologiste marin Matthew Birk, du Marine Biological Laboratory et de l’université Saint Francis, une équipe de chercheurs a donc mis cette idée à l’épreuve.
Leurs sujets étaient des pieuvres à deux points de Californie (Octopus bimaculoides), dont le génome entier a été séquencé pour la première fois en 2005, ce qui en fait un animal utile pour comprendre les changements génétiques. Les chercheurs ont acclimaté ces pieuvres à une eau chaude à 22 °C ou à une eau beaucoup plus froide à 13 °C, puis ils ont comparé leurs informations génétiques avec le génome de la base de données. Ils ont ensuite comparé leurs informations génétiques avec le génome de la base de données. Ils ont examiné plus de 60 000 sites d’édition connus, et ce qu’ils ont découvert est étonnant.
Selon le physicien Eli Eisenberg, de l’université de Tel-Aviv, coauteur principal de cette étude :
L’édition sensible à la température s’est produite sur environ un tiers de nos sites, soit plus de 20 000 sites individuels. Il ne s’agit donc pas de quelque chose qui se produit ici ou là, mais d’un phénomène global. Cela dit, le phénomène n’est pas uniforme : les protéines modifiées ont tendance à être des protéines neuronales, et presque tous les sites sensibles à la température sont davantage modifiés par le froid.
L’édition semble donc être une réponse à l’acclimatation à l’eau froide, plutôt qu’à l’eau chaude, affectant les protéines neurales qui, spécifiquement, sont sensibles au froid. Des tests portant sur des protéines structurelles essentielles au fonctionnement du système nerveux de la pieuvre, la kinésine et la synaptotagmine, ont montré que les modifications apportées auraient un impact sur leur fonction.
Il est possible que ce que l’équipe a observé soit le résultat d’un séjour en laboratoire, c’est pourquoi les chercheurs ont capturé des pieuvres de Californie sauvages à deux points et des pieuvres à deux points de Verrill (Octopus bimaculatus) en été et en hiver et ils ont également vérifié leurs génomes. Ces pieuvres présentaient des profils similaires d’édition de l’ARN, ce qui suggère qu’elles optimisaient leurs fonctions selon les températures du moment.
Pieuvre Octopus bimaculoides. (Tom Kleindinst/ Marine Biological Laboratory)
L’équipe a également vérifié la rapidité de ces changements. Ils ont fait passer la température du bassin d’un poulpe de 14 à 24 °C ou vice versa, en augmentant ou en diminuant la température par incréments de 0,5 °C sur une période de 20 heures. Ils ont testé l’étendue de l’édition de l’ARN dans chaque pieuvre juste avant de commencer à changer de température, juste après et 4 jours plus tard.
Les chercheurs ont constaté que la modification de l’ARN était très rapide.
Selon Birk :
Nous n’avions aucune idée de la rapidité avec laquelle cela peut se produire : cela peut prendre des semaines ou des heures. Nous avons pu observer des changements significatifs en moins d’une journée, et en quatre jours, ils avaient atteint les nouveaux niveaux d’équilibre que l’on retrouve au bout d’un mois.
Ces résultats suggèrent qu’au moins une des fonctions de l’édition de l’ARN chez les céphalopodes est une réponse rapide à des conditions environnementales qui pourraient être dangereuses pour les animaux dans d’autres circonstances. Il existe également d’autres variables environnementales susceptibles de provoquer une réaction. Il s’agit notamment du manque d’oxygène, de la pollution et de l’évolution des conditions sociales.
Résumé graphique de l’étude. (A. Birk et col./ Cell)
Les chercheurs pensent que l’édition de l’ARN est une stratégie assez répandue chez les pieuvres et les calmars pour rester en vie lorsque leur environnement change, et ils prévoient d’étudier plus en détail la manière dont elle est utilisée.
L’étude publiée dans Cell : Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome et présentée sur le site du Marine Biological Laboratory de l’Université de Chicago : Octopuses Tweak the RNA in their Brains to Adjust to Cooler Waters | NPR – All Things Considered.