Nature et autres lectures scientifiques de Jacques en janvier 2017

 

La livraison de ce mois contient peut-être quelques articles difficiles. Pourtant, plusieurs sont splendides. J’ai pris un plaisir particulier à ceux-ci:

19.01.17. Génomique des migrations humaines. On disait que nos méchants ancêtres ont éliminés, vite fait bien fait, leurs cousins néanderthaliens et denisovans. Ce n’est en tous cas pas complètement vrai. Ils ont au moins un peu frayés ensemble, peut-être même se sont-ils simplement mélangés. Nous en sommes les descendants, probablement à notre grand avantage.

26.01.17. Pour pusieurs d’entre nous, les bactériophage ont été une grande affaire. Nous avions aimé le « Genetic switch » de Ptashne qui montrait comment le bactériophage lambda choisit son parcours de vie. Ici, même problème, non pas au niveau de l’individu mais à celui de la population. Ensemble ils sont plus malins que tout seuls; leur truc est révélé.
26.01.17. Le fonctionnement du ribosome. Trois articles pour montrer comment le ribosome encrassé est débloqué. C’est de la chimie par cryo-microscopie électronique. Impressionnant!

 Nous gardons un oeil attentif sur la cryo-ME:

Tao, X., Hite, R. K., & MacKinnon, R. (2017). Cryo-EM structure of the open high-conductance Ca2+-activated K+ channel. Nature, 541(7635), 46-51. doi:10.1038/nature20608

Hite, R. K., Tao, X., & MacKinnon, R. (2017). Structural basis for gating the high-conductance Ca2+-activated K+ channel. Nature, 541(7635), 52-57. doi:10.1038/nature20775

Park, E., Campbell, E. B., & MacKinnon, R. (2017). Structure of a CLC chloride ion channel by cryo-electron microscopy. Nature, 541(7638), 500-505. doi:10.1038/nature20812

MacKinnon. Il n’y a pas si longtemps qu’il a viré de la Diff X à la Cryo-ME, mais maintenant, quel débit !

Et, d’un coup, 3 articles sur le même sujet. (voir rapport)

Huter, P., Muller, C., Beckert, B., Arenz, S., Berninghausen, O., Beckmann, R., & Wilson, D. N. (2017). Structural basis for ArfA-RF2-mediated translation termination on mRNAs lacking stop codons. Nature, 541(7638), 546-549. doi:10.1038/nature20821

Ma, C., Kurita, D., Li, N., Chen, Y., Himeno, H., & Gao, N. (2017). Mechanistic insights into the alternative translation termination by ArfA and RF2. Nature, 541(7638), 550-553. doi:10.1038/nature20822

Zeng, F., Chen, Y., Remis, J., Shekhar, M., Phillips, J. C., Tajkhorshid, E., & Jin, H. (2017). Structural basis of co-translational quality control by ArfA and RF2 bound to ribosome. Nature, 541(7638), 554-557. doi:10.1038/nature21053

 

05.01.2017. Nature 541, 7635

– 32 – 33, 59 – 61. RADIO ASTRONOMIE. Chatterjee et al. FRB. Très loin, très fort, très mystérieux. On connait depuis dix ans les FRB (fast radio burst), ces très violentes explosions d’ondes radio qui durent moins qu’un dixième de seconde. La nature du signal montre qu’il doit venir de très loin. On pense qu’il a à faire avec un de ces super trous noirs que l’on trouve généralement au centre des très grandes galaxies. Le présent article rapporte la première localisation de la source d’un FRB. Le petit point lumineux de rien du tout est en effet très loin mais, même très loin, il est trop petit pour être une honnête galaxie, tout au plus une galaxie naine pas très normale. Est-ce quelque chose de vraiment neuf ? Comme les FRB ont tendance à répéter leurs explosions, celui-ci nous en dira peut-être bientôt d’avantages.

 

– 77 – 80. ANTARCTIQUE, CLIMAT. Étude de la déstabilisation du Pine Island Glacier, l’un des plus grands de l’Antarctique. 10.1038/nature20136. Jean-Claude K. Ce glacier s’appuie contre une arête rocheuse sous-marine. Depuis 1945 environ, il commence à s’élever au-dessus de l’arrête laissant l’eau de l’océan couler sous le glacier ce qui le fait fondre par dessous et lubrifie son mouvement. La fonte accélère. L’Antarctique est moins stable qu’il n’y paraît.

Pline glacier_image

 

81 – 86. EPIGÉNOME, BMI, DIABÈTE. Laurée. doi:10.1038/nature20784.

Une nouvelle approche pour caractériser une maladie et son évolution. L’épigénome (méthylation) des personnes obèses peut être caractérisé. Ce marquage identifiable est la conséquence et non la cause de l’obésité. Il donne des indications sur l’évolution future de l’individu dans son obésité et vers un éventuel diabète de type II. Cette étude indique aussi les chemins métaboliques qui sont impliqués dans ces développements.

 

ÉPIGÉNÉTIQUE. Laurée. Discussion avec Johannes Graeff qui travaille à l’EPFL sur l’épigénétique de la mémoire. Il me signale un prochain colloque sur l’épigénétique transgénérationnelle : https://www.latsis2017.ethz.ch. 28-30.8. Zürich.

Nous cherchons à imaginer comment l’épigénétique pourrait être transgénérationnelle. Johannes propose une hypothèse. Le marquage épigénétique augmente la mutabilité de l’ADN induisent ainsi une variabilité locale du génome. De là à ce que cette variation soit évolutive, il reste un grand obstacle : trouver un mécanisme de sélection qui fasse que seules les variations adaptatives soient conservées. Un tel système existe pour le développement des anticorps propres à chaque individu. Va-t-on trouver un analogue pour l’éventuelle épigénétique transgénérationnelle ?

 

12.01.2017. Nature 541, 7636.

– 141 – 2. SANTÉ, WEB. Tout le monde raconte sa petite histoire sur Facebook. Un beau succès dont les auteurs de l’application savent tirer profit. J’en ai même dit du bien (voir rapport concernant la fondation Zuckerberg dans Nature du 29.9.16). Un système qui susciterait un tel engouement avec les données médicales – et génétiques – serait une mine d’or bien plus riche encore. L’application iCarbonX de la firme chinoise Shenzhen pourrait prendre cette place grâce à une base solide et un excellent réseau de collaborations avec des firmes spécialisées dans l’enregistrement de données médicales. À suivre dans un contexte inquiétant.

 

– 164 ; 196 – 199. LASER, BOUND STATES IN CONTINUUM, BIC. Les physiciens. Kodigala et al. J’adore les lasers depuis que j’en ai compris le principe chez Feynman; c’est une physique contrintuitive, mais tellement belle. Ici, pour moi, un nouveau chapitre dont je ne fais qu’égratigner la surface. Il a quelque rapport avec un article traité récemment à propos des lasers aléatoires (Nature 17.11.2016, 360).

Un laser a besoin d’un résonateur dans lequel l’onde est amplifiée, par exemple entre deux miroirs parallèles, ou, de manière générale, dans un trou de potentiel dans lequel l’énergie qui alimentera l’émission stimulée peut être pompée. En 1929 déjà, peu après qu’ont été posés les bases de la mécanique quantique, von Neumann et Wigner ont montré que l’équation de Schrödinger autorise des états liés dans le continu au-dessus du potentiel. Ce sont les BICs, bound states in continuum. Puisque l’onde ainsi bloquée n’interagit pas avec les parois du puits, elle n’est pas atténuée. Le facteur de qualité (en gros, combien de cycles pour atténuer l’onde) est infini. L’affaire était théorique jusqu’à ce qu’en 1977, Herrick et Stillinger (l’homme du modèle d’eau le plus courant : ST2) montrent que BIC devrait pouvoir être réalisé dans un  réseau de semiconducteurs. Les auteurs du présent article réalisent un tel système. Comme on le voit sur l’image, il s’agit de 64 petits cylindres supraconducteurs montés en un réseau à géométrie soigneusement étudiée (épaisseur 300nm, largeur ≈10µm). Le faisceau photonique bleu (l ≈ 1µm) pompe l’onde BIC stabilisée dans le plan du résonateur. Celle-ci émet le faisceau cohérent (rouge) dans la direction du faisceau excitant et à la longueur d’onde (l ≈ 1.5 µm) définie par la géométrie du réseau de semiconducteurs.

Avantage : rendement élevé, petite taille ; emploi potentiel dans les biosenseurs et l’informatique quantique ( ??). À approfondir et à suivre.

BIC_Laser_Nature 12.01.17 figure

– 247 – 9.RECHERCHE SUR LE TERRAIN. Lucy, Arjun. La recherche sur le terrain est souvent dangereuse. Il faut être prudent. Ici, il est plutôt question de forêt tropicale, mais le problème est général et les mesures de protection de base sont toujours les mêmes. Le petit tableau est bon à pratiquer.

What to do before you go and while you’re there

Field researchers need a plan to avoid disaster and for how to deal with it when
it happens. “You don’t want to push the abort button at the end when so much is at stake, you have a graduate student starting a project and it’s costing you US$20,000 to be there,” says Laurent Godin, a structural geologist at Queen’s University in Kingston, Canada. “Have a plan in place.”
Here are some tips.

Before you go
● Take workshops to learn leadership strategies, and practise safety plans using role-play scenarios. What if you are rattled by an encounter with an elephant en route to a field site and want to turn back, but your team leader wants to continue? Or it starts pouring with rain four hours before a boat is scheduled to pick up your team, and your field assistant forgot his rain gear?
● Most institutions require researchers to complete a field-research hazard assessment that includes estimating risks and how you would minimize or deal with them. Even if your institution doesn’t, do one. Godin’s hazard list includes avalanches, earthquakes, political instability, street riots, land mines, dysentery, malaria, altitude sickness and rock falls.

  • Get the relevant vaccinations, find out where the international clinics are in overseas destinations and build in a financial cushion for dealing with emergencies. There may be opportunities for emergency-evacuation funding within your field.

In the field
● Know where your team members are and never work alone. Develop a communication plan, with a schedule for checking in with a designated contact who will call for help if the check-in doesn’t happen.
● Always have a mobile phone with you; keep it charged.
● Be trained in first aid, have a complete first-aid kit in camp and take a small one in your day pack.
● Keep your passport with you and have good insurance.
● Carry a loud whistle to alert teammates that you need help.
● Be ready to make quick decisions in the face of danger and to enlist the help of locals. Ecologist Douglas Yu of the University of East Anglia in Norwich, UK, was surveying trees in the Amazon in 1999 when his indigenous companions heard bird-calls that sounded like the tinamou — but the season was wrong. Instead, the calls signalled the presence of an aggressive tribe. Yu and his team left immediately. More recently, Yu cancelled a trip to Ethiopia because of riots. He makes such rules for all trips. “You have to be able and willing to say no,” he says. E.S.

19.01.2017. Nature 541, 76367

– 302 – 10. GÉNOMIQUE, ANTHROPOLOGIE, MIGRATIONS. Suivre le peuplement de la terre Homo sapiens au moyen de la génomique. Une belle revue par R. Nielsen et al.

Le domaine progresse rapidement grâce au séquençage massif et, surtout, grâce à la possibilité de lire l’ADN de certains fossiles.

La figure résume les voies et les époques de migrations.

Migrations humaines_190117

Quant aux grands traits de la lignée humaine, ils sont représentés sur la figure. (ANE : anciens eurasiens du nord ; EEF : anciens fermiers européens ; WHG : chasseurs cueilleurs de l’Europe de l’Ouest).

Lignee humaine_190117

L’article est dense et riche. Je cite encore quelques points.

L’Homo sapiens a-t-il quitté l’Afrique une fois, il y a entre 50’000 et 100’000 ans, ou y a-t-il eu plusieurs migrations ? Actuellement on penche plutôt pour une migration principale sans exclure d’autres mouvements mineurs. D’autres migrations humaines ont eu lieu. Celles à l’intérieur de l’Afrique ont impliqué des mouvements génétiques encore plus considérables que l’aventure humaine hors d’Afrique. Ceci n’est pas surprenant puisque la richesse génétique parmi les populations africaines est bien plus grande que celle du relativement petit groupe des expatriés d’Afrique. Pour le moment, il n’y a pas d’évidence d’un retour aux sources africaine des populations eurasiennes.

On pensait que Homo sapiens avait éradiqués les autres populations rencontrées après après son départ d’Afrique. On sait maintenant qu’il y a eu croisement entre Neanderthaliens et H. sapiens dans l’Eurasie de l’Ouest et aussi avec la mystérieuse population Denisovans à l’Est. En fait, il se pourrait même que ces différentes populations se soient tranquillement (?) mélangées laissant une signature plus forte pour les H. sapiens simplement parce qu’ils étaient plus nombreux et que, les autres, séparés en petits groupes, portaient plus de mutations délétères dues de cosanguinage. Toutefois, même si le génome H. sapiens ne contient actuellement qu’une portion mineure de gènes néandertaliens ou denisovan, la contribution de ces autres populations a probablement été d’une grande importance, en particulier, pour la défense contre les maladies. En effet, les populations présentes en Eurasie depuis longtemps avaient développé les moyens de se défendre contre les maladies du lieu (la grippe par exemple). Sans l’apport des populations autochtones, les nouveaux arrivants, naïfs envers ces maladies, n’auraient peut-être pas survécus. Merci les Néandertaliens !

Après avoir quitté l’Afrique, l’évolution biologique a continué. Le hasard fait que certains de ces traits sont proéminents, typiquement la couleur de la peau, des cheveux et des yeux. Ainsi, on peut avoir l’impression que la différence entre les populations est plus grande qu’elle ne l’est en réalité.

La couleur de la peau est un intéressant exemple. La mélanine noircit la peau et la protège du soleil. Par contre la peau noire réduit la synthèse de la vitamine D. C’est ainsi que la couleur de la peau s’adapte à la latitude. On peut y lire l’extension des glaciers sur le continent. Autre adaptation notable : l’altitude. Les gènes impliqués sont différents au Tibet et dans les Andes, mais le résultat physiologique est à peu près le même.

L’adaptation aux déterminants culturels est aussi très notable. Par exemple, l’agriculture bouleverse la nourriture et les animaux domestiques sont de riches sources de pathogènes. Ainsi, la culture se lit dans le génome humain – disons plutôt qu’elle commence à se lire. Le chapitre promet d’être passionnant.

 

– 297 – 8, 353 – 358. ORIGINE, EUCARYOTE. Détricoter l’histoire de la vie. Il y a peut-être 3,8 milliards d’années, il a eu LUCA, le dernier ancêtre commun de toute la vie. Beaucoup plus tard, une (un ?) archaea a avalé un eucaryote ancestral, lui-même descendant lointain d’une protobactérie. Ensemble ils sont devenus eucaryotes porteurs de mitochondries. C’est cette rencontre eucaryote/archæa dont l’origine remonte à 1,8 milliard d’années qui est précisée dans cet article grâce à l’étude d’une super branche des archaea, les asgards. La chose que je trouve amusante, c’est que les traces récentes de cette histoire ancienne n’ont pas été trouvées à portée de main. On ne les a jamais vus, on ne sait pas les cultiver, on en a seulement retrouvé la trace dans l’ADN prélevé au fond de l’océan, sous des milliers de mètres de sédiments. C’est dans un organisme ainsi identifié que l’on retrouve une flopée de gènes qui sont restés remarquablement conservés jusqu’à nous, mais dont on ne connaissait pas l’origine phylogénique.

Apres LUCA les eucayotes

L’ADN d’une dent trouvée dans une caverne sibérienne nous a fait découvrir nos cousins Homo denisovans. Un prélèvement au tréfonds de l’océan nous rapproche de l’origine de la vie. L’ADN est vraiment un grand bavard.

 

  1. 01. 17. NATURE 541, 7638.

466 – 7, 488 – 93. VIROLOGIE, PHAGE, QUORUM SENSING. Laurée, Clément, Béatrice, Mario et Évelyne. Erez et L. Des bactériophages choisissent en commun leur parcours de vie optimal.

Les virus bactériens – bactériophages ou phages – sont aussi divers que nombreux. Typiquement, ils ont à choisir entre deux parcours de vie radicalement différents. Selon le premier, que l’on appelle le cycle lytique, le virus détourne les fonctions bactériennes pour se multiplier lui-même jusqu’à ce que, devenue un sac bourré de virus, la bactérie explose en libérant son contenu prêt à infecter les autres bactéries environnantes. Selon le second parcours – cycle lysogénique – l’ADN du virus est discrètement intégré dans le génome bactérien dont il devient le passager clandestin jusqu’au moment où, sortant de sa léthargie génétique, il se lance dans le cycle lytique. La biologie moléculaire en a fait son histoire dont nous avons fait l’apprentissage en 68 à Genève, à travers les cours du l et la lecture du « Genetic switch », le merveilleux petit bouquin de Ptashne où est disséqué la biologie moléculaire du choix entre la voie lytique ou lysogénique. Plus tard, j’en avais fait l’observation au microscope électronique.

Dépassons le mécanisme du virus, pensons à la population. Un virus lance son cycle lytique dans une population de bactéries. Il va se multiplier exponentiellement, bien plus vite que les bactéries. Avant peu, s’il continue, les bactéries auront toutes crevé et le virus n’aura qu’a faire de même, sauf si sagement, il sait se retenir à temps, passer au cycle lysogénique et attendre que les bactéries aient reconstitué leur population.

Le présent article montre que c’est exactement ce qui se passe. Il en explique aussi le mécanisme. C’est tout simple ! Durant le cycle lytique, le système produit un petit peptide qui tend à bloquer le « genetic switch » sur l’état lysogénie. Plus nombreux sont les virus actifs dans la voie lytique, plus ils produisent du peptide et plus la voie lysogénique est favorisée.

On appelle ça « quorum sensing », perception de l’état. Depuis longtemps, on connait le phénomène chez les bactéries et chez les cellules eucaryotes. C’est la première fois qu’on l’observe chez un virus. Ce ne sera pas la dernière.

 

– 546 – 557. RIBOSOME, FONCTION, CRYO-ME. Trois articles indépendants sur le même sujet. Encore un beau chapitre de biologie moléculaire. Base structurale du sauvetage des ribosomes lorsque l’ordre STOP ne vient pas. « Dogme » de la biologie moléculaire : L’ADN est transcrit en ARN messager (mRNA) que le ribosome traduit en protéine. Une foi la protéine terminée, le codon STOP du mARN fait intervenir la protéine RF2 (release factor) pour relâcher la protéine, libérant ainsi le ribosome vers un nouveau cycle de synthèse. Toutefois, l’ARN est fragile ; souvent le message est tronqué ; quelquefois le codon STOP manque ; le ribosome bloqué n’est alors plus fonctionnel ; c’est tout le mécanisme de synthèse des protéines qui serait compromis si l’évolution n’avait pas prévu un mécanisme de réparation : la protéine ArfA. Celle-ci est capable d’interagir avec la protéine RF2 de manière à rendre cette dernière capable de rejeter la protéine non terminée même en absence du codon STOP.

Les trois groupes ont utilisé la cryo-ME des particules isolées pour reconstruire le complexe comprenant ribosome, mARN tronqué, protéine en voie de synthèse, ArfA et RF2. Dans les trois cas la résolution est suffisante pour voir comment, en pénétrant dans le canal d’entrée du mARN, ArfA change la structure de RF2 de manière à ce qu’il identifie le codon bloquant comme un codon STOP. C’est vraiment de la chimie par microscopie électronique. Joli !

Les articles ont été reçus par l’éditeur les 26.09. 2016, 23 et 21.10 respectivement. Comme nous l’avons déjà fait récemment, nous nous étonnons quand 3 groupes apparemment indépendants arrivent au même moment au même résultat sur le même système.

Huter et al, pp. 546 – 549. DOI : 10.1038/nature20821

ArfA-RF2

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