Longtemps considérées comme des organismes pathogènes à éradiquer, les bactéries sont omniprésentes dans notre environnement. Elles existent sous forme libre dans l’eau et le sol, ou en association avec d’autres organismes vivants, donnant lieu à un type de mutualisme durable où un partenaire microbien vit à l’intérieur des cellules de son hôte : l’endosymbiose. Les mitochondries et les chloroplastes, par exemple, proviennent d’événements endosymbiotiques entre les bactéries et les cellules eucaryotes.
Ces dernières décennies, de nombreuses études ont mis en évidence les effets des bactéries endosymbiotiques sur diverses fonctions physiologiques de leurs hôtes, notamment la nutrition, le développement et l’immunité. On peut citer la fixation de l’azote atmosphérique chez les Fabacées, la digestion de la cellulose chez les ruminants et la protection immunitaire chez l’homme.
Les bactéries et le développement embryonnaire : un aperçu
L'article explore la présence et le rôle potentiel des bactéries dans le développement embryonnaire humain, en s'appuyant sur des études récentes qui remettent en question l'idée d'un environnement intra-utérin stérile. Il aborde également l'influence de bactéries telles que Wolbachia sur le déterminisme du sexe chez les arthropodes et les mécanismes moléculaires impliqués. Les implications de ces découvertes pour la compréhension du développement embryonnaire, de l'immunité et de l'évolution sont également examinées.
Wolbachia : un exemple d'influence bactérienne sur le sexe
Suite aux travaux fondateurs de Louis Pasteur sur les bactéries au XIXe siècle, des associations entre bactéries et arthropodes ont été rapidement mises en évidence. C’est dans ce contexte que la bactérie Wolbachia sp. a été décrite pour la première fois en 1924, puis répertoriée en tant que nouvelle espèce en 1936 chez le moustique commun (Culex pipiens). Les bactéries Wolbachia, que l’on trouve dans les gonades de leurs hôtes, sont d’abord associées à la mort des cellules infectées. Plus tard, dans les années 1970, des travaux ont montré un effet de Wolbachia sur la reproduction de son hôte : les femelles moustiques infectées ne peuvent se reproduire qu’avec des mâles également infectés.
Chez les animaux, le déterminisme du sexe est un processus développemental qui régit la différenciation sexuelle des individus en mâles ou en femelles. Il se produit généralement par l’intermédiaire de facteurs chromosomiques, communément portés par des chromosomes sexuels. Selon les espèces, il existe deux grands systèmes de chromosomes sexuels : l’hétérogamétie mâle et l’hétérogamétie femelle. Dans le cas de l’hétérogamétie mâle, rencontrée chez les mammifères par exemple, les mâles possèdent deux chromosomes sexuels différents, à savoir un chromosome X et Y, tandis que les femelles possèdent deux copies du chromosome sexuel X. L’hétérogamétie femelle, présente chez les oiseaux par exemple, correspond à la situation opposée : les femelles possèdent deux chromosomes sexuels différents, Z et W, tandis que les mâles ont deux copies du chromosome Z.
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Chez certaines espèces, le déterminisme du sexe peut être impacté par des micro-organismes endosymbiotiques héritables : on parle alors de déterminisme cytoplasmique du sexe. En effet, des micro-organismes intracellulaires peuvent être transmis de façon verticale, d’une génération d’hôtes à la suivante, par le cytoplasme des ovocytes, et non grâce aux spermatozoïdes. Ce phénomène est donc très avantageux pour des micro-organismes endosymbiotiques présents chez les femelles, lesquels pourront être transmis verticalement aux descendants. Cela permet d’expliquer l’avantage que procure la transformation des hôtes mâles en femelles.
Le cas du cloporte Armadillidium vulgare
Le cloporte Armadillidium vulgare possède un système hétérogamétique femelle avec des femelles ZW et des mâles ZZ. Par ailleurs, de nombreuses femelles produisent une descendance majoritairement féminine en raison des Wolbachia héritées de la mère. Ce déséquilibre du sex-ratio réside également dans la féminisation des mâles génétiques en femelles phénotypiques. Les embryons mâles génétiques ZZ portant Wolbachia se développent comme des femelles phénotypiques viables et fertiles, qui à leur tour produisent en grande partie des descendants femelles hébergeant Wolbachia.
Par l’utilisation de modèles ainsi que des observations de terrain, il a été prédit et confirmé que les femelles génétiques ZW seront éliminées des lignées de cloportes possédant Wolbachia, causant après plusieurs générations la perte du chromosome sexuel W. Par conséquent, tous les individus seront alors des mâles génétiques ZZ, et ceux ayant hérité de Wolbachia se développeront comme des femelles, tandis que les embryons non symbiotiques se développeront comme des mâles. Les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette féminisation sont encore inconnus.
Il est toutefois intéressant de noter qu’un autre facteur de détermination du sexe existe chez cette espèce. En effet, certaines lignées dépourvues de Wolbachia produisent une descendance majoritairement féminine. Les femelles de ces lignées sont des mâles génétiques ZZ convertis en femelles par un agent féminisant inconnu appelé « élément f ». Par la suite, il a été suggéré que cet élément f serait largement distribué dans les populations sauvages d'A. vulgare et que sa fréquence serait cohérente avec une origine récente. En 1984, Legrand et Juchault émettaient l’hypothèse que l’élément f pourrait être un fragment du génome de Wolbachia, porteur d’informations de féminisation, ayant été intégré au génome nucléaire d'A. vulgare.
De nos jours, des travaux démontrent que l’élément f est un fragment important du génome de Wolbachia transféré horizontalement vers le génome nucléaire du cloporte. Bien que l’élément f ne soit pas intégré dans le chromosome sexuel W natif, le lien entre les sexes féminins et l’hémizygotie, ainsi que l’effet féminisant connu chez l’ancêtre cytoplasmique de Wolbachia, soutiennent fortement l’idée selon laquelle l’élément f agit comme un inducteur du sexe féminin dans les lignées porteuses de l’élément f. Par ailleurs, il a été montré que le chromosome dans lequel l’élément f s’insère devient un nouveau chromosome sexuel W.
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En somme, ce scénario implique que l’élément f soit une région chromosomique d’origine bactérienne impliquée dans la détermination du sexe d’une espèce animale, et que le transfert horizontal d’une bactérie à un animal soit considéré comme un nouveau mécanisme de formation de chromosomes sexuels.
Influence de Wolbachia sur la différenciation cellulaire
Wolbachia induit de nombreux changements phénotypiques chez des arthropodes adultes matures, suggérant ainsi que cette bactérie est capable d’influencer la différenciation cellulaire chez son hôte. Le développement animal consiste en une série de cascades de division cellulaire, de migration et de différenciation. La capacité d’interagir avec ces processus cellulaires nécessite d’abord une dédifférenciation des cellules hôtes adultes, phénomène fréquemment rapporté dans le cas d’un mutualisme entre des bactéries et des animaux, comme avec Wolbachia par exemple. Une telle dédifférenciation est probablement à relier au mode de transmission de la bactérie mutualiste : chez de nombreux arthropodes, Wolbachia est héritée verticalement et est présent tout au long du développement de son hôte, par opposition à d’autres bactéries transmises horizontalement chez un hôte adulte entièrement différencié.
Souvent présent dans les cellules souches germinales de son hôte, Wolbachia est capable de maintenir cette lignée cellulaire. Chez les femelles homozygotes D. melanogaster ne possédant pas Wolbachia, des mutations dans les gènes de maintien des cellules souches germinales provoquent une stérilité et entraînent la formation de tumeurs au sein des ovaires. En revanche, une même mutation est sans conséquence pour les femelles portant Wolbachia. En effet, Wolbachia participe au maintien de ces cellules souches en garantissant leur caractère indifférencié.
Les espèces de guêpes du genre Asobara en sont un exemple. L’ovogenèse d’Asobara tabida est assurée par la présence de Wolbachia. En effet, ces guêpes sont incapables de se reproduire lorsqu’elles sont dépourvues de Wolbachia. Ce phénomène de mutualisme obligatoire semble avoir été acquis très récemment : toutes les espèces d’hyménoptères étroitement apparentées au genre Asobara n’ont pas besoin de Wolbachia pour se reproduire. Au fil du temps, si un hôte dépendant de Wolbachia se diversifie et génère d’autres espèces, ce processus produira un taxon entièrement dépendant de Wolbachia. C’est peut-être ce qui s’est produit dans une lignée de nématodes. Presque tous ces vers parasites hébergent Wolbachia, bactérie devenue indispensable à leur reproduction, à leur développement et à leur survie.
Bien que Wolbachia puisse altérer positivement la reproduction en augmentant le succès reproducteur de son hôte concomitamment à son succès de transmission verticale, cet endosymbiote provoque paradoxalement une infertilité chez le moustique femelle. En effet, il a été montré que Wolbachia agissait en convertissant des femelles fertiles en femelles stériles sans pour autant engendrer une transition de sexe. Cela suggère que les mécanismes en question sont dans ce cas différents de ceux impliqués dans la féminisation de l’hôte vue précédemment. De plus, au stade nymphal et adulte, des études quantifiant le niveau d’expression de gènes de croissance des ovaires entre les groupes fertiles et stériles ont mis en évidence des différences substantielles dans leur expression. Ceci a été également corroboré par l’absence d’ovaires matures chez les femelles stériles. Ainsi, dans le cadre de la maturation sexuelle, Wolbachia peut altérer négativement la reproduction.
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Modification des comportements sexuels
Une partie des effets évoqués précédemment peuvent être expliqués par la présence de bactéries Wolbachia au niveau des cellules germinales de l’hôte. Cependant, un examen attentif d’un individu infecté montre la présence de celles-ci au sein de cellules somatiques : glandes salivaires, muscles, tube digestif ou encore cerveau. Pour commencer, nous pouvons nous attarder sur la modification des comportements directement en rapport avec la sexualité de l’hôte. Avant même l’acte copulatoire, il n’est pas rare dans le monde animal d’avoir un tri entre organismes : dans la majorité des cas, les mâles entrent en compétition pour les femelles et/ou ces dernières choisissent directement leur partenaire. C’est dans ce cadre là que des expériences ont été menées afin de voir si l’infection par Wolbachia jouait ou non sur ces modalités. Ainsi, la comparaison des choix de partenaire de femelles drosophiles (Drosophila sp.) infectées montre une nette préférence pour les mâles atteints par la même souche bactérienne. Du côté des cloportes (Armadillidium vulgare), non infectés cette fois-ci, les mâles passent un temps significativement plus long prêt des femelles sans Wolbachia. Ainsi, à travers le choix du partenaire sexuel, la reproduction est encouragée par des individus avec les mêmes états d’infection. Mais ce n’est pas tout, après le choix du partenaire, vient alors l’acte copulatoire lui-même. Les drosophiles mâles infectées ont plus de rapports sexuels comparées à celles non associées à des bactéries. Par ailleurs, les femelles infectées, copulant avec un mâle aussi infecté, ont par la suite tendance à ne plus le côtoyer.
Dans le cas des drosophiles, des variations de la composition en hydrocarbures à la surface de la cuticule influenceraient le choix du partenaire. De plus, la quantité de phéromones produites est réduite par rapport à d’autres drosophiles non infectées, modifiant alors le profil olfactif des individus. Cependant, les résultats présentés ci-avant sont loin de pouvoir être généralisés à l’ensemble des arthropodes en interaction avec Wolbachia. Pour ne citer qu’un contre-exemple, des études portant sur un papillon, le nymphalidé Acraea endecon, ne montrent aucune préférence pour un partenaire entre individus infectés.
La présence de bactéries dans l'environnement intra-utérin humain
Pendant longtemps, on a cru que le fœtus grandissait dans un environnement stérile. Cependant, des études récentes ont mis en évidence la présence de bactéries dans le liquide amniotique et le méconium (les premières « selles » du bébé, correspondant à l’évacuation du liquide amniotique absorbé in utero).
Des chercheurs australiens ont analysé l’ADN bactérien présent dans le liquide amniotique de 50 femmes enceintes et celui du méconium de leurs enfants nés par césarienne programmée. Les analyses ADN ont révélé la présence de bactéries dans la grande majorité des échantillons étudiés, parfois communes aux deux milieux. Une espèce non pathogène domine dans le méconium : Pelomonas puraquae, sans que la raison de sa présence soit clarifiée (une contamination externe est envisagée, malgré les précautions prises). Le liquide amniotique contient, pour sa part, de l’ADN de bactéries commensales (« normales ») de la peau, principalement Propionibacterium acnes et des staphylocoques. Des molécules bénéfiques produites par les bactéries ont également été retrouvées dans le méconium, en particulier des acides gras à chaînes courtes, connus pour leurs effets protecteurs sur la santé.
Virus et développement embryonnaire : un rôle inattendu
Les virus, souvent perçus comme des agents pathogènes, jouent en réalité un rôle crucial dans l'évolution et le développement des organismes vivants, y compris les humains.
L'origine virale du placenta
L’histoire serait vieille de plus de 150 millions d’années : les ancêtres des mammifères, qui pondaient des œufs, ont attrapé « un virus ». Le matériel génétique de ces ancêtres a intégré des séquences génétiques de virus. Les intégrations de ces séquences virales se sont reproduites et répétées au cours du temps : des protéines essentielles à la fusion cellulaire se sont ainsi incorporées au génome des mammifères. Ces séquences virales ont permis la fabrication de protéines qui ont sonné le glas de la coquille et l’avènement d’un nouvel organe : le placenta.
D’origine à la fois maternelle et embryonnaire, le placenta exerce des rôles métaboliques essentiels au développement de l’embryon. Il est constitué à la fois de cellules maternelles de l’utérus, et de cellules embryonnaires. Il constitue un organe à part entière. Le placenta est un lieu d’échanges : il permet au fœtus de puiser dans le corps de la mère les éléments nécessaires au développement embryonnaire, comme les nutriments ou l’oxygène. Il évacue l’urée et le dioxyde de carbone produit par le fœtus. Il est considéré comme un lieu de tolérance immunologique permettant le maintien du fœtus dans l’organisme maternel. Il produit également des hormones qui soutiennent le développement fœtal ainsi que la lactation. Enfin, le placenta constitue également une barrière protectrice pour le fœtus contre la plupart des parasites et des bactéries, mais certains virus ou composés comme l’alcool, passent à travers cet organe et affectent le développement fœtal.
Les syncytines : des protéines d'origine virale essentielles à la formation du placenta
Quelques jours après la fécondation, l’embryon de mammifère est composé de deux populations de cellules : le bouton embryonnaire et le trophoblaste. Une partie du trophoblaste, appelé syncytiotrophoblaste, forme une couche de cellules fusionnées. Lorsque plusieurs cellules fusionnent, une cellule géante se forme. Possédant plusieurs noyaux, cette structure est appelée syncytium. Ces cellules fusionnées « attaquent » les tissus maternels, les perforent et permettent l’ancrage (appelée nidation) de l’embryon.
La fusion des cellules du trophoblaste est une étape essentielle à l’implantation de l’embryon dans l’utérus et au bon déroulement du développement. Elle est assurée par des protéines particulières : les syncytines. Les protéines de type syncytines sont exprimées dans les placentas de presque tous les mammifères. La perte simultanée des deux types de syncytines exprimées chez la souris empêche le développement d’un placenta et provoque la mort précoce des embryons, soulignant leur rôle capital dans le développement.
L’origine virale des syncytines a été mise en évidence par des paléovirologistes, qui sont capables de détecter dans un génome des « virus fossiles » ou séquences provenant de l’intégration, par le passé, d’un matériel génétique viral. Chez les rétrovirus, les protéines Env, codées par ces gènes, sont des protéines d’enveloppe par lesquelles les particules virales fusionnent leurs membranes avec celles des cellules cibles. Cette fusion permet à l’infection de la cellule en déjouant le système immunitaire de l’hôte. Intégrés et transmis à la descendance chez les mammifères, ces gènes Env ont évolué en protéines de type syncytines.
Il est étonnant de constater que la domestication de ces gènes ne s’est pas faite une seule fois, mais dérive d’au moins une dizaine d’infections indépendantes par des rétrovirus différents, au cours de l’évolution des mammifères. L’acquisition d’un placenta serait donc une évolution convergente. Différentes infections rétrovirales ont donc favorisé, à de multiples reprises, des mécanismes de fusion cellulaire conduisant à la formation de syncytium à l’interface entre les tissus fœtaux et maternels et contribuant à l’élaboration d’un développement intra-utérin original, grâce à la formation d’une « enveloppe rétrovirale ».
Vulnérabilité du développement embryonnaire
Le développement embryonnaire au sein d’un utérus ne rend pas ce développement moins sensible et vulnérable. Le placenta, qui crée une intimité entre la mère et sa progéniture, est un organe qui protège et expose à la fois le fœtus. Les propriétés et mécanismes actifs ou passifs qui permettent les échanges essentiels au développement autorisent également le passage de substances aux effets néfastes. Des virus tels que ceux de la rubéole, de la varicelle, du VIH ou la parvovirus, ainsi que des agents infectieux comme les toxoplasmes, tournent à leur avantage ce lieu d’échange pour l’envahir et contaminer l’embryon. Certains agents pharmaceutiques, les métaux ou l’alcool ont de sinistres réputations, dues aux effets délétères qu’il provoque chez l’embryon. Très récemment, des microparticules de plastique ont été détectées dans des placentas humains. Ces particules auraient été inhalées ou ingérées par les mères. Les effets de ces particules restent inconnus mais la détection de ce type de plastique est inquiétante à plusieurs titres : peuvent-ils altérer les fonctions essentielles des placentas comme la régulation immunitaire ? Peuvent-ils bouleverser le développement des fœtus ? Ces observations nous rappellent la vulnérabilité du développement embryonnaire.
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