Des chercheurs des National Institutes of Health ont identifié un gène qui rend la levure résistante à une toxine mortelle, selon une nouvelle étude publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences. Pour étudier l’évolution de la résistance aux toxines, des chercheurs de l’Institut national de recherche sur le génome humain (NHGRI), qui fait partie du NIH, ont utilisé la levure – le type couramment utilisé pour la cuisson à la maison – comme organisme modèle. Alors que les chercheurs connaissent depuis longtemps la remarquable capacité de la levure à échapper aux effets des toxines mortelles, la raison était un mystère jusqu’à présent.
« Les subtilités de la génomique qui régissent ces batailles intra-espèces sont magnifiquement révélées par une étude comme celle-ci », a déclaré Charles Rotimi, Ph.D., directeur scientifique du programme de recherche intra-muros au NHGRI. « Bien qu’il s’agisse d’une histoire de levure, les mécanismes influenceront sûrement les études sur les toxines et leurs effets sur les humains. »
Tout au long de l’histoire humaine, les gens ont combattu diverses toxines produites par d’autres organismes, comme les araignées, les plantes, les serpents et même les bactéries du choléra ou de l’anthrax. Comprendre la résistance aux toxines de la levure pourrait ouvrir de nouvelles voies de protection contre les toxines chez l’homme.
« Nous sommes intéressés à comprendre comment la variation génomique conduit à des différences entre les individus, donc dans cette étude, nous examinons les mécanismes biologiques les plus fondamentaux sous-jacents à la résistance aux toxines dans des organismes simples, tels que la levure », a déclaré Meru Sadhu, Ph. D., chercheur à la branche de recherche sur les maladies génétiques du NHGRI et auteur principal de l’étude. « Une façon importante dont les organismes varient est dans quelle mesure ils sont affectés par les toxines. »
En règle générale, les toxines sont utilisées dans les conflits entre différentes espèces. Cependant, ces levures « tueuses » sont intéressantes et sûres à étudier car les toxines n’affectent que les autres levures et ne nuisent pas aux humains, a déclaré Ilya Andreev, un ancien stagiaire post-bac du NHGRI qui a dirigé cette étude.
« Il existe très peu d’exemples de ces conflits intra-espèces dans la nature, et notre travail vient d’effleurer la surface de la compréhension de la dynamique évolutive de ces conflits », a ajouté Andreev.
Dans cette étude actuelle, les chercheurs du NHGRI ont analysé la levure infectée par un virus qui provoque la sécrétion par la levure d’une toxine mortelle appelée K28. Le virus n’affecte pas négativement la levure infectée. Au lieu de cela, les levures infectées sont également résistantes aux effets de la toxine.
Ces levures infectées sécrètent la toxine K28 pour éliminer les levures non infectées qui poussent à proximité. Cela donne à la levure infectée un avantage évolutif dans la compétition pour les ressources. Cependant, certaines levures non infectées se développent malgré la présence de la toxine.
Pour savoir comment ces levures non infectées résistent à la toxine, les chercheurs ont exposé différentes levures non infectées à la toxine K28. Ceux qui n’étaient pas affectés par la toxine ont été classés comme hautement résistants et les affectés comme sensibles. Ensuite, les chercheurs ont comparé les génomes de levures résistantes et sensibles pour identifier les gènes qui rendent certaines levures résistantes.
Grâce à cette enquête, les chercheurs ont déterminé que le gène KTD1 fournit une résistance à la toxine K28. « Ce gène n’a jamais été étudié auparavant », a déclaré Sadhu. « L’identification de ce gène est la première étape pour bien comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire. »
Les chercheurs ont ensuite attaché une protéine incandescente à la protéine KTD1 pour suivre sa position dans les cellules de levure. Ils ont découvert que la protéine KTD1 réside à la surface de compartiments cellulaires appelés vacuoles. Les vacuoles remplissent de nombreuses fonctions dans la cellule, notamment l’isolement et la décomposition des substances nocives telles que les toxines.
Pour infliger ses effets toxiques, la toxine K28 doit se déplacer librement dans la cellule. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que la protéine KTD1 pourrait être impliquée dans la capture de la toxine dans la vacuole.
Une région de la protéine KTD1 pénètre au centre de la vacuole, où elle pourrait interagir avec les toxines piégées. En analysant la séquence protéique, les chercheurs ont découvert que cette région de la protéine KTD1 est soumise à de fortes pressions évolutives.
Ces fortes pressions évolutives soulignent l’importance de cette région pour la fonction de la protéine KTD1 et mettent en évidence la compétition entre la toxine et la levure. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment cette région de la protéine KTD1 contrôle K28 et comment K28 peut évoluer en réponse.
Plus d’information:
Ilya Andreev et al, Découverte d’un facteur de défense de levure à évolution rapide, KTD1, contre la toxine tueuse sécrétée K28, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2217194120