L’ARN, longtemps considéré comme un simple messager au sein des cellules, est désormais perçu comme un système de communication moléculaire essentiel, même entre des organismes éloignés par l’évolution.
Introduction à la Science
Pour une molécule d’ARN, l’environnement est hostile. Contrairement à l’ADN, qui peut subsister pendant des millions d’années dans sa forme double hélice stable, l’ARN est éphémère — même à l’intérieur de la cellule qui l’a produit. S’il n’est pas protégé par une molécule plus grande, l’ARN peut se dégrader en quelques minutes. Et à l’extérieur d’une cellule ? C’est encore pire. Des enzymes destructrices d’ARN, présentes dans tous les types de vie, agissent comme une défense contre les virus qui utilisent l’ARN pour coder leur identité génétique.
Il existe cependant une méthode pour que l’ARN survive à l’extérieur d’une cellule : dans une petite bulle protectrice. Depuis des décennies, les chercheurs ont observé que les cellules libèrent ces bulles de membrane cellulaire, appelées vésicules extracellulaires (VE), remplies d’ARN dégradé, de protéines et d’autres molécules. Ces sacs étaient initialement considérés comme de simples poubelles éliminant les déchets moléculaires d’une cellule.
Mais au début des années 2000, des expériences menées par Hadi Valadi, biologiste moléculaire à l’Université de Göteborg, ont révélé que l’ARN à l’intérieur de certaines VE ne ressemblait pas à des déchets. Le mélange de séquences d’ARN était nettement différent de celui trouvé à l’intérieur de la cellule, et ces séquences étaient intactes et fonctionnelles. Lorsque l’équipe de Valadi a exposé des cellules humaines à des VE provenant de cellules de souris, elle a été surprise de constater que les cellules humaines absorbaient les messages d’ARN et les « lisaient » pour créer des protéines fonctionnelles qu’elles n’auraient pas pu produire autrement.
Valadi a conclu que les cellules emballaient des brins d’ARN dans les vésicules spécifiquement pour communiquer entre elles. « Si je suis sorti et que je vois qu’il pleut, » a-t-il déclaré, « je peux te dire : Si tu sors, prends un parapluie. » De manière similaire, a-t-il suggéré, une cellule pourrait avertir ses voisines d’une exposition à un pathogène ou à une substance toxique avant qu’elles ne rencontrent le danger.
Depuis lors, de nombreuses preuves ont émergé pour soutenir cette théorie, facilitées par des avancées dans la technologie de séquençage qui permettent aux scientifiques de détecter et de décoder des segments d’ARN de plus en plus petits. Depuis la publication des expériences de Valadi, d’autres chercheurs ont également observé des VE remplies de combinaisons complexes d’ARN. Ces séquences d’ARN peuvent contenir des informations détaillées sur la cellule qui les a produites et déclencher des effets spécifiques dans les cellules réceptrices. Ces découvertes ont conduit certains chercheurs à suggérer que l’ARN pourrait constituer une lingua franca moléculaire transcendant les frontières taxonomiques traditionnelles, permettant ainsi de coder des messages compréhensibles à travers l’arbre de la vie.
En 2024, de nouvelles études ont révélé des couches supplémentaires de cette histoire, montrant, par exemple, qu’en plus des bactéries et des cellules eucaryotes, les archées échangent également de l’ARN lié aux vésicules, confirmant que ce phénomène est universel à tous les trois domaines de la vie. Une autre étude a élargi notre compréhension de la communication cellulaire inter-espèces en montrant que les plantes et les champignons infectants peuvent utiliser des paquets d’ARN destructeurs comme une forme de guerre informationnelle coévolutive : une cellule ennemie lit l’ARN et construit des protéines nuisibles avec sa propre machinerie moléculaire.
« Je suis émerveillée par ce que l’ARN peut faire, » a déclaré Amy Buck, biologiste de l’ARN à l’Université d’Édimbourg, qui n’a pas participé à la nouvelle recherche. Pour elle, comprendre l’ARN comme un moyen de communication « dépasse l’appréciation de la sophistication et de la nature dynamique de l’ARN au sein de la cellule. » Transmettre des informations au-delà de la cellule pourrait être l’un de ses rôles innés.
Livraison Temporelle Sensible
La microbiologiste Susanne Erdmann étudie les infections virales chez Haloferax volcanii, un organisme unicellulaire qui prospère dans des environnements extrêmement salins comme la mer Morte ou le Grand Lac Salé. Bien que les bactéries unicellulaires soient connues pour échanger largement des VE, H. volcanii n’est pas une bactérie — c’est une archée, un membre de la troisième branche évolutive de la vie, dont les cellules sont construites différemment de celles des bactéries ou des eucaryotes comme nous.
Étant donné que les VE ont la même taille et densité que les particules virales que l’équipe d’Erdmann étudie à l’Institut Max Planck de microbiologie marine en Allemagne, elles « apparaissent toujours lorsque vous isolez et purifiez des virus, » a-t-elle déclaré. son groupe s’est demandé ce qu’il y avait à l’intérieur.
« Je m’attendais à trouver de l’ADN, » se souvient Erdmann, suite à des rapports selon lesquels d’autres espèces archéennes emballent de l’ADN dans des VE. Au lieu de cela, son laboratoire a découvert un véritable assortiment d’ARN — en particulier des ARN non codants, des segments mystérieux de nucléotides sans fonction connue chez les archées. Ces séquences d’ARN non codants étaient beaucoup plus abondantes dans les VE que dans les cellules archéennes elles-mêmes. « C’était la première fois que nous trouvions de l’ARN dans des VE chez les archées, » a-t-elle déclaré.
Erdmann s’est demandé s’il y avait une raison d’être pour les VE archéennes. Une cellule peut spontanément créer des vésicules lorsque sa membrane se pince pour former une petite bulle qui se détache ensuite. Cependant, d’autres mécanismes impliquent des processus plus actifs et délibérés, similaires à ceux qui déplacent les molécules à l’intérieur de la cellule. Le groupe d’Erdmann a identifié une protéine archéenne essentielle à la production de VE contenant de l’ARN.
Cela lui a suggéré que l’ARN ne se retrouvait pas dans les VE par hasard, et que le processus n’était pas simplement une élimination des déchets. « Il est très probable que [les archées] les utilisent pour la communication entre cellules, » a-t-elle déclaré. « Pourquoi investirait-on tant d’énergie à jeter de l’ARN aléatoire dans des vésicules ? »
Erdmann n’est pas certaine pourquoi les microbes Haloferax remplissent leurs vésicules d’ARN tandis que d’autres espèces archéennes préfèrent l’ADN. Mais elle soupçonne que cela a à voir avec la sensibilité temporelle du message moléculaire. « L’ARN est un langage différent de l’ADN, » a-t-elle dit, et il sert un but fondamentalement différent tant à l’intérieur qu’à l’extérieur des cellules.
Mark Belan pour Quanta Magazine
Le rôle de l’ADN d’un organisme est de rester stable et relativement inchangé tout au long de sa vie. Il peut subir des mutations spontanées ou même acquérir des gènes supplémentaires, mais il faut des générations de sélection naturelle pour que des changements temporaires dans les séquences d’ADN s’installent dans une population. L’ARN, en revanche, est en constante évolution, réagissant aux conditions dynamiques à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Les signaux d’ARN ne durent pas longtemps, mais ils n’ont pas besoin de le faire, car ils peuvent rapidement devenir obsolètes.
En tant que message, l’ARN est éphémère. C’est une caractéristique, pas un défaut : il peut avoir des effets à court terme sur d’autres cellules avant de se dégrader. Et puisque l’ARN à l’intérieur d’une cellule change constamment, « le message que vous pouvez envoyer à votre cellule voisine » peut également changer très rapidement, a déclaré Erdmann. En ce sens, c’est plus comme un message texte rapide ou un e-mail destiné à communiquer des informations opportunes que, par exemple, des runes gravées dans la pierre ou un mémo formel sur papier à en-tête.
Bien qu’il semble que les archées voisines absorbent et internalisent les VE de leurs cellules voisines, il n’est pas encore clair si les messages les affectent. Erdmann se demande également ce qui arrive à ces vésicules dans la nature, où de nombreux organismes différents pourraient être à portée des messages qu’elles transportent.
« Combien d’autres organismes différents dans le même environnement pourraient recevoir ce message ? » a-t-elle demandé. « Et est-ce qu’ils se contentent de le consommer et d’utiliser l’ARN comme nourriture, ou détectent-ils réellement le signal ? »
Bien que cela reste un mystère pour Haloferax, d’autres chercheurs ont démontré que des cellules à travers les espèces, les royaumes et même les domaines de la vie peuvent envoyer et recevoir des messages moléculaires remarquablement précis.
Communication Biologique
Bien que l’ARN soit de courte durée, il s’est révélé être une merveille moléculaire capable de se transformer. Il est surtout connu pour aider les cellules à produire de nouvelles protéines en copiant les instructions de l’ADN (sous forme d’ARN messager, ou ARNm) et en les livrant au ribosome pour construction. Cependant, sa structure flexible permet à l’ARN de se plier en plusieurs formes qui peuvent influencer la biologie cellulaire. Il peut agir comme une enzyme pour accélérer les réactions chimiques au sein des cellules. Il peut se lier à l’ADN pour activer ou inhiber l’expression des gènes. Et des brins d’ARN concurrents peuvent s’entrelacer avec les instructions de l’ARNm dans un processus appelé interférence par ARN, empêchant ainsi la production de nouvelles protéines.
À mesure que les chercheurs prennent conscience des façons dont l’ARN modifie l’activité cellulaire, ils ont étudié des stratégies pour utiliser cette petite molécule mutable comme outil expérimental, traitement de maladies, et même comme base pour le vaccin à ARNm contre la Covid-19. Toutes ces applications nécessitent le transfert d’ARN dans les cellules, mais il semble que l’évolution nous ait devancés : les VE transmettent de l’ARN même aux cellules qui ne souhaitent pas recevoir le message.
Il y a environ dix ans, la généticienne moléculaire Hailing Jin et son laboratoire à l’Université de Californie, Riverside, ont découvert que deux organismes de royaumes différents — une plante et un champignon — échangent de l’ARN comme une forme de guerre. Jin étudiait Botrytis cinerea, un champignon moisi gris qui ravage des cultures comme les fraises et les tomates, lorsqu’elle a observé qu’il échangeait de l’ARN avec la plante Arabidopsis (cresson de jardin) pendant l’infection. Le champignon Botrytis a transmis de l’ARN qui interférait avec la capacité de la plante à lutter contre l’infection. Des travaux ultérieurs ont montré que les cellules végétales pouvaient répondre par leur propre volée d’ARN qui endommageait le champignon.
Dans cette « course aux armements coévolutive, » comme l’a décrite Jin, les deux organismes utilisaient des VE comme véhicules pour ces messages d’ARN délicats mais nuisibles. Auparavant, les scientifiques intéressés par la dynamique hôte-pathogène se concentraient principalement sur les protéines et les métabolites, a déclaré Jin, car ces molécules peuvent être plus faciles à étudier. Mais il est logique que les organismes aient plusieurs moyens de résister aux défis environnementaux, a-t-elle dit, y compris l’utilisation de l’ARN pour interagir avec des parents évolutifs éloignés.
Au cours de la dernière décennie, de plus en plus de scientifiques ont découvert des exemples d’échange d’ARN inter-royaumes comme stratégie offensive lors d’infections. Des vers parasites vivant dans les intestins de souris libèrent de l’ARN dans des VE qui désactivent les protéines immunitaires défensives de l’hôte. Les bactéries peuvent envoyer des messages aux cellules humaines qui atténuent les réponses immunitaires antibactériennes. Le champignon Candida albicans a même appris à tordre un message provenant des VE humains à son propre avantage : il utilise l’ARN humain pour favoriser sa propre croissance.
La correspondance inter-royaumes n’est pas toujours hostile. Ces interactions ont également été observées dans des relations amicales (ou neutres), a déclaré Jin. Par exemple, des bactéries vivant en symbiose dans les racines des légumineuses envoient des messages d’ARN pour promouvoir la nodulation — la croissance de petites protubérances où les bactéries vivent et fixent l’azote pour la plante.
Comment l’ARN d’une branche de l’arbre de la vie peut-il être compris par des organismes d’une autre ? C’est un langage commun, a déclaré Buck. L’ARN existe probablement depuis le tout début de la vie. Bien que les organismes aient évolué et se soient diversifiés, leur machinerie de lecture de l’ARN est restée largement la même. « L’ARN a déjà une signification dans chaque cellule, » a déclaré Buck. « Et c’est un code assez simple. »
Si simple, en fait, qu’une cellule réceptrice peut ouvrir et interpréter le message avant de réaliser qu’il pourrait être dangereux, de la même manière que nous pourrions instinctivement cliquer sur un lien dans un e-mail avant de remarquer l’adresse suspecte de l’expéditeur. En effet, plus tôt cette année, le laboratoire de Jin a montré que les cellules de la plante Arabidopsis peuvent envoyer des instructions d’ARN apparemment innocentes qui ont un impact surprenant sur un champignon ennemi. Dans des expériences, l’équipe de Jin a observé que le champignon Botrytis lisait l’ARNm envahissant avec ses propres molécules et créait sans le savoir des protéines qui endommageaient ses capacités infectieuses.
C’est presque comme si les plantes créaient un « pseudo-virus, » a déclaré Jin — de petits paquets d’ARN qui infectent une cellule et utilisent ensuite la machinerie de cette cellule pour produire des protéines.
« C’est un mécanisme assez puissant, » a-t-elle déclaré. « Un ARNm peut être traduit en de nombreuses, nombreuses copies de protéines. … C’est beaucoup plus efficace que de transporter la protéine elle-même. »
À sa connaissance, Jin a déclaré que c’est la première fois qu’elle voit des preuves d’organismes à travers les royaumes échangeant des messages d’ARNm et les lisant en protéines. Mais elle pense qu’il est probable que cela soit observé dans de nombreux autres systèmes, une fois que les chercheurs commenceront à le chercher.
Le domaine semble encore jeune, a déclaré Buck, ce qui est excitant. Il reste encore beaucoup à apprendre : par exemple, si les autres molécules emballées dans les VE aident à délivrer le message d’ARN. « C’est un défi amusant de tout démêler, » a-t-elle déclaré. « Nous devrions être inspirés par la puissance et la dynamique incroyables de l’ARN, et par toutes les façons dont il façonne et régule la vie. »
