Modifications chromosomiques et leur impact sur la croissance de la levure

Les Chromosomes sont des structures dans les cellules qui transportent l'info génétique. Ils viennent en différents nombres et tailles selon les espèces. Parfois, les chromosomes peuvent se casser, se rejoindre ou même se dupliquer. Ces changements peuvent mener à une grande variété de nombres de chromosomes, même chez des espèces assez proches.

Un exemple intéressant, c'est le cerf muntjac. Le muntjac chinois a 46 chromosomes, tandis que le muntjac indien n'en a entre 6 et 7. Cette différence énorme dans le nombre de chromosomes montre combien il peut y avoir de variations. Les papillons du genre Polyommatus affichent aussi une large gamme de nombres de chromosomes, allant de 10 à un impressionnant 226.

Un autre exemple, c'est la levure bourgeonnante, qui peut doubler son nombre de chromosomes du jour au lendemain, passant de 8 à 16 grâce à un processus appelé hybridation inter-espèces. Ces exemples montrent que les changements dans le nombre de chromosomes peuvent se produire assez rapidement du point de vue évolutif.

Malgré ces changements, c'est super important que les cellules copient et séparent correctement leurs chromosomes pendant la Division cellulaire. Si elles ne le font pas, ça peut mener à un nombre anormal de chromosomes dans les cellules, ce qu'on appelle l'aneuploïdie. Cette condition peut causer des problèmes graves, y compris certains défauts de naissance et cancers. Pour qu'une espèce puisse subir des changements rapides dans le nombre de chromosomes, le processus de division cellulaire doit être assez robuste pour gérer différentes configurations chromosomiques.

Fait intéressant, des chercheurs ont découvert qu'il est possible de fusionner les seize chromosomes de la levure bourgeonnante en un seul, ou même de les décomposer en 33. Cependant, on ne sait toujours pas si ces gros changements maintiennent la stabilité pendant la division cellulaire et comment cela pourrait affecter la santé globale de l'organisme et sa capacité à évoluer davantage.

#L'effet de la fusion des chromosomes

Pour voir comment la machinerie de division cellulaire s'adapte aux changements du nombre de chromosomes, les chercheurs se sont concentrés sur des souches de levure bourgeonnante, qui ont vu leurs seize chromosomes originaux fusionnés. Ces nouvelles souches ont maintenant un nombre de chromosomes qui varie de seize à juste un, sans changements significatifs dans leur contenu génétique.

Bien que ces souches de levure puissent gérer des réductions significatives du nombre de chromosomes, ça a un coût sur leur forme physique. En mesurant la vitesse de Croissance de chaque souche, on a constaté que celles ayant moins de cinq chromosomes avaient un retard de croissance, prenant cinq à dix minutes de plus pour doubler leur nombre.

Pour comprendre pourquoi ces souches étaient plus lentes à croître, les chercheurs ont examiné le temps qu'il fallait à leurs cellules pour passer d'une phase de division cellulaire à une autre, mesurant spécifiquement la distance entre des structures appelées corps polaires de fuseau pendant la division. Ils ont remarqué que les cellules avec moins de chromosomes prenaient plus de temps pour finir ce processus. En fait, les cellules uniques avec seulement trois chromosomes prenaient environ huit minutes de plus pour compléter la division cellulaire que celles ayant plus de chromosomes.

Alors que les cellules avec moins de chromosomes rencontraient ce retard, les cellules avec un nombre normal maintenaient une distance constante entre leurs structures de fuseau. Cela suggère que le retard se produit surtout pendant une phase spécifique appelée métaphase. De plus, les cellules avec moins de chromosomes montraient un plus grand pliage de leur structure de fuseau et des changements inhabituels de leur enveloppe nucléaire pendant la division, indiquant des problèmes mitotiques.

#Surmonter les retards de croissance grâce à des changements dans la structure des chromosomes

Les chercheurs voulaient enquêter sur les raisons des retards de croissance dans les souches avec moins de chromosomes. Ils ont décidé d'utiliser l'évolution expérimentale, une méthode qui permet aux scientifiques de voir comment les organismes s'adaptent avec le temps. Ils ont créé plusieurs groupes de souches de levures avec différents nombres de chromosomes et les ont laissées évoluer pendant environ 150 générations.

Fait intéressant, les souches qui ont commencé avec trois chromosomes ont réussi à complètement résoudre leurs problèmes de croissance pendant ce temps. Étonnamment, ces souches adaptées avaient très peu de mutations, et aucune d'entre elles n'était la même entre les différents groupes. On a découvert que toutes les souches évoluées qui avaient commencé avec trois chromosomes s'étaient adaptées par un processus appelé autodiploïdisation, où elles ont doublé leur nombre de chromosomes.

Ce passage à un état diploïde est bénéfique pour la levure car les cellules diploïdes ont tendance à avoir de meilleurs taux de survie que leurs homologues haploïdes (à chromosome unique) dans des conditions de laboratoire similaires. Notamment, les souches avec trois chromosomes montraient une occurrence beaucoup plus élevée de cet état diploïde par rapport à celles commençant avec seize ou huit chromosomes, indiquant un plus grand avantage à ce changement dans le nombre de chromosomes.

Pour approfondir cette relation, les scientifiques ont créé des versions diploïdes des souches haploïdes originales et mesuré leurs taux de croissance. Ils ont trouvé que, même si les souches diploïdes étaient généralement plus adaptées, celles avec trois chromosomes n'avaient aucun problème de croissance après être devenues diploïdes, ce qui suggère que ce changement suffisait à résoudre leurs problèmes de croissance précédents.

#Le rôle des Centromères dans la division cellulaire

Les chromosomes dans la levure bourgeonnante ont une structure simple, où chaque chromosome est attaché au fuseau de la cellule par un seul microtubule. Cela signifie que lorsqu'une cellule de levure devient diploïde, elle double le nombre de ces connexions de microtubules.

Étant donné cela, les scientifiques se sont demandé si augmenter le nombre de centromères pourrait aider à améliorer la croissance et la vitesse de division des souches de levures avec moins de chromosomes. Les centromères sont cruciaux car ils relient les chromosomes au fuseau pendant la division cellulaire. Les chercheurs ont introduit des plasmides centromériques dans des souches avec quatre chromosomes et ont trouvé que ce changement améliorait à la fois la croissance et le timing de la division cellulaire.

De plus, ils ont testé des chromosomes artificiels contenant leurs centromères et ont obtenu des résultats similaires. Cela implique qu'avoir un nombre suffisant de centromères est plus important que la taille ou le nombre des chromosomes eux-mêmes quand il s'agit d'une division cellulaire correcte.

Si les cellules de levure ont besoin de cinq centromères pour une croissance stable, cela suggère que même les souches diploïdes avec juste deux chromosomes seraient encore problématiques. Les chercheurs ont testé cette théorie et confirmé qu'ajouter des centromères ou changer la force extérieure dans le fuseau pouvait résoudre les problèmes de croissance.

#Ajustement des forces lors de la division cellulaire

Les forces en jeu lors de la division cellulaire peuvent avoir un impact significatif sur le résultat. Quand le nombre de chromosomes est faible, il peut y avoir un déséquilibre des forces dans le fuseau pendant la métaphase, qui est le moment où les chromosomes s'alignent au milieu de la cellule.

En examinant les souches avec moins de chromosomes, les chercheurs ont observé une augmentation de la force externe générée par des protéines qui poussent apart les microtubules. Ce déséquilibre de force semble causer un retard pendant la division cellulaire. Pour tester cette idée, ils ont traité les cellules avec un médicament qui interfère avec la dynamique des microtubules et ont observé des améliorations dans la croissance et le timing mitotique.

De plus, la suppression de protéines motrices spécifiques impliquées dans la formation de forces externes dans le fuseau a également aidé à restaurer les taux de croissance dans ces souches déjà mises à l'épreuve. Dans l'ensemble, il semble qu'augmenter les forces internes ou diminuer les forces externes puisse aider les cellules à croître et à fonctionner efficacement, indiquant un besoin d'équilibre des forces lors de la division cellulaire.

#Impacts des forces sur le comportement des kinétochores

Les chercheurs ont également exploré comment les forces externes excessives peuvent causer des problèmes dans la fonction du fuseau, en particulier comment les kinétochores (les structures qui relient les chromosomes au fuseau) se comportent pendant la division cellulaire. Dans des souches avec moins de chromosomes, les kinétochores ne se regroupaient pas correctement pendant la métaphase, ce qui est vital pour la séparation correcte des chromatides sœurs.

Lorsque les forces dans le fuseau étaient réduites, des améliorations dans le regroupement des kinétochores ont été observées. Cela suggère que l'équilibre entre les forces externes et internes est crucial pour le bon fonctionnement des kinétochores.

Bien que les mécanismes exacts de la façon dont une force excessive affecte le comportement des kinétochores nécessitent encore des études, une théorie est qu'un excès de force externe pourrait empêcher les kinétochores de s'aligner correctement, entraînant une séparation incorrecte des chromosomes. Alternativement, le problème pourrait venir de changements dans la longueur des microtubules affectant leur capacité à stabiliser la connexion entre les kinétochores.

#Conclusion

L'étude de la façon dont les chromosomes et la division cellulaire interagissent offre des aperçus uniques sur la biologie évolutive. Il est évident qu'avoir un nombre minimum de chromosomes est essentiel pour le bon déroulement du processus de division cellulaire, en particulier chez des organismes plus simples comme la levure bourgeonnante. Les découvertes faites dans cette recherche mettent en lumière la nature interconnectée de la structure chromosomique et de la machinerie responsable de leur division durant la reproduction cellulaire.

Cette exploration de la façon dont les organismes adaptent leurs nombres de chromosomes suggère des chemins et des limites évolutifs potentiels pour diverses espèces. À mesure que les chromosomes continuent d'évoluer, les processus fondamentaux gouvernant la division cellulaire doivent également s'adapter pour suivre ces changements. Comprendre ces relations ouvre de nouvelles façons de penser la biologie cellulaire et le processus d'évolution lui-même.