Des métalloprotéines comme interrupteurs de l’expression des gènes

25.01.2024, par Anaïs Soubeyran
Mis à jour le 17.01.2024


Dans l’ensemble du monde vivant, des ions métalliques confèrent aux protéines des fonctions spéciales. Des chercheurs en biologie structurale sont parvenus à élucider le rôle d’interrupteur génétique de centres métalliques fer-soufre dans des protéines bactériennes.

Pour un micro-organisme tel qu’une bactérie, pouvoir réagir pour s’adapter rapidement aux perturbations de son environnement, est un processus absolument nécessaire à sa survie. Pour ce faire, elle dispose de protéines régulatrices, appelées « facteurs de transcription », qui peuvent intervenir au niveau de la lecture de l’ADN, afin de bloquer ou favoriser la synthèse d’autres protéines dont la fonction permet l’adaptation aux changements.
Pour assurer leur rôle, certaines protéines font intervenir un centre métallique, on parle alors de métalloprotéines. Le projet de recherche MANGO-ICING[1], porté par des chercheurs de l’Institut de biologie structurale (IBS), vise à élucider le rôle de plusieurs facteurs de transcription bactériens portant un assemblage d’atomes de fer et de soufre, appelé centre fer-soufre (Fe-S). Chez de multiples espèces bactériennes, ces centres sont impliqués dans la réponse à des perturbations environnementales diverses.

Des facteurs de transcription réceptifs aux signaux environnementaux
Comment des agrégats métalliques peuvent-ils capter des signaux environnementaux et jouer le rôle crucial d’interrupteur de la transcription génétique, provoquant des changements conformationnels dans la protéine régulatrice ? Pour répondre à cette question, les chercheurs de l’IBS se sont focalisés sur quatre facteurs de transcription (FT) à centre Fe-S, appartenant à une famille de protéines spécifique aux bactéries. Très proches structuralement, ces 4 FTs répondent pourtant à des signaux bien distincts, se fixant sur des séquences d’ADN particulières, afin de contrôler :
•    La concentration cellulaire en fer (par le capteur de Fe RirA) ;
•    La réponse au stress induit par le monoxyde d’azote (par le capteur de NO NsrR) ;
•    L’assemblage des centres Fe-S (par le capteur de Fe et S IscR) ;
•    L’équilibre d’oxydo-réduction de la cellule (par le capteur d’un excès d’électrons RsrR).
Quelles transformations de la structure du centre Fe-S provoquée par ces signaux peuvent expliquer de telles différences fonctionnelles pour la protéine, puis pour la bactérie ?
Piloté par Anne Volbeda, Juan Carlos Fontecilla-Camps et Eve de Rosny, le projet MANGO-ICING a pu compter sur une équipe multidisciplinaire d’une dizaine de personnes, en partenariat avec le groupe de recherche britannique de Nick Le Brun, de l’Université d’East Anglia, à Norwich. De nombreuses compétences et spécialités scientifiques ont été mobilisées : cristallographie, calculs théoriques, biochimie, ou encore spectroscopie.

Observer les métalloprotéines ou les défis de la cristallographie aux rayons X
Chaque protéine ayant une structure déterminante pour sa fonction biologique, l’équipe MANGO-ICING devait parvenir à caractériser l’agencement des atomes en trois dimensions de chacun des 4 FTs. Les étapes de production, de purification et enfin de cristallisation de ces métalloprotéines ont nécessité de délicates expérimentations dans un environnement sans oxygène, parce qu’elles y sont particulièrement sensibles. Ces conditions anaérobies ont été assurées par des « boîtes à gants » (figure 1).[2]

Figure 1: Manipulation des métalloprotéines sensibles à l’oxygène dans les « boîtes à gants » (BAG). L’équipe Métalloprotéines de l’IBS dispose d’une salle équipée de 6 BAGs, dont certaines sont équipées de robots qui simplifient considérablement le travail des cristallographes. Ce sont notamment : a, une station de pipetage, qui réalise automatiquement la préparation de nanogouttes de cristallisation dans des plaques, en utilisant des milliers de conditions avec des propriétés physico-chimiques différentes ; b, un bras robotique qui déplace les plaques de cristallisation pour les poser sous un appareil photo, afin de suivre l’apparition des cristaux au cours du temps. Souvent, dans une autre BAG, il est nécessaire de modifier, manuellement, les conditions de cristallisation pour obtenir des meilleurs cristaux. Dans la photo, on voit une des BAGs utilisées pour purifier une protéine sensible à l’O2. ©Eve de Rosny – IBS (CEA-CNRS-UGA)
Avant d’exposer la métalloprotéine à un faisceau de rayons X très puissant, un défi majeur s’impose : parvenir à la cristalliser. Eve de Rosny insiste sur le caractère empirique dans la recherche des conditions physico-chimiques de cristallisation pour chaque FT.
« Il n’y a pas de recette miracle, on teste différents sels, des agents précipitants, on modifie le pH… et de temps en temps une condition va permettre aux protéines de cristalliser, mais on ne peut pas prédire laquelle »
Des milliers de conditions ont été testées pour tenter de cristalliser les 4 FTs choisis. Iscr et RirA[3] ne se sont pas laissés cristalliser malgré plus de 3 600 conditions testées, contrairement à RsrR (figure 2A) et NsrR qui ont donné lieu à des cristaux exploitables.


Figure 2. Collection de données de diffraction d’un cristal. A) Cristaux de la forme réduite de la RsrR (taille environ 0.1 mm), obtenus en conditions d’anaérobie dans une BAG. ©Anne Volbeda – IBS (CEA-CNRS-UGA). B) Utilisation d’un faisceau très intense de rayons X (longueur d’onde fixe, réglable autour de 1 Å) généré par le synchrotron à Grenoble. ©ESRF/Jocelyn Chavit. C) Exemple d’un cliché de diffraction aux rayons X pour le cristal d’une protéine. Des milliers de clichés sont obtenus en tournant le cristal autour d’un axe perpendiculaire au faisceau de rayons X. Sur ces images, on détermine la distribution et l’intensité des tâches de diffraction qui dépendent de l’agencement des atomes dans le cristal. ©Anne Volbeda – IBS (CEA-CNRS-UGA)
Les précieux cristaux sont ensuite péchés avec des petites boucles et congelés dans la boîte à gants à -173 °C pour empêcher leur réaction avec l’oxygène ; ils peuvent alors être sortis et transportés dans l’azote liquide (-190 °C) jusqu’au synchrotron européen de Grenoble (figure 2B) à côté de l’IBS, pour être exposés aux rayons X, aussi à une très basse température d’environ -173 °C.
Il faut ensuite toute l’expertise et la patience du cristallographe, pour interpréter l’ensemble des données de diffraction obtenues grâce aux rayons X du synchrotron (figure 2C) et en déduire la structure en trois dimensions de la protéine (figure 3).
Anne Volbeda partage avec nous son enthousiasme de parvenir alors à « […] voir des choses que personne n’avait encore jamais vues. Les structures des protéines sont esthétiquement très belles. »


Figure 3. Résolution de la structure. À partir des images de diffraction, on construit un jeu de données expérimentales qui rassemble les amplitudes de toutes les ondes de rayons X diffractées par le cristal. A) Ensuite il faut de nombreux calculs pour obtenir les phases des ondes, et arriver à générer une carte de densité électronique. À partir de cette carte, le chercheur place les atomes et les liaisons qui les relient, en utilisant un écran graphique et des logiciels très performants. Dans la figure A, on voit le centre [2Fe-2S] de RsrR avec les liaisons chimiques fer-soufre en marron et jaune. Enfin, il parvient à la modélisation complète de la structure tridimensionnelle. B) Il y a plusieurs façons de représenter la structure d’une protéine – ici on voit une représentation de la surface de RsrR : les couleurs rouge et bleu montrent les surfaces avec des charges, respectivement, négatives et positives. Ensuite, il reste à résoudre la question la plus intéressante : comment fonctionne la protéine ? On parle de « relations structure-fonction ». ©Anne Volbeda – IBS (CEA-CNRS-UGA)

Élucider les liens entre la structure et la fonction du centre fer-soufre
La structure en 3D de la métalloprotéine permet aux chercheurs d’observer le centre Fe-S dans son environnement protéique. Il s’agit de comprendre comment un petit changement de structure de ce centre conduit à des changements majeurs dans le fonctionnement de la cellule.
Anne Volbeda nous explique le lien intime entre la structure et la fonction du centre fer-soufre : « C’est le centre fer-soufre qui capte le signal de l’environnement ; ensuite c’est l’interaction entre le centre et la protéine qui devient important. Le centre change sa conformation : il perd du fer, ou bien il capte ou perd un électron. Ces changements conformationnels dans l’environnement protéique, ont des conséquences pour l’affinité de la protéine pour l’ADN. »
Eve de Rosny précise qu’au sein de ces protéines, le centre Fe-S ne se trouve pas à l’endroit qui interagit avec l’ADN.
« Il y a une transmission de signal, depuis la zone de la protéine dans laquelle se trouve le centre, vers une autre zone de la protéine qui va changer de forme et conduire la protéine à ne plus reconnaître l’ADN. »
C’est donc une véritable cascade de changements structuraux dans la protéine, induite par la réaction chimique au niveau du centre Fe-S, qu’il s’agit pour les chercheurs de parvenir à retracer.
Le projet MANGO-ICING aura notamment permis de décrire structuralement le rôle d’interrupteur génétique d’un centre Fe-S, pour deux FTs.
     RsrR ou les effets en cascade provoqués par un unique électron
La résolution de la structure de la métalloprotéine bactérienne RsrR[4] (Figure 3) accompagnée par plusieurs autres analyses[5] a permis de montrer comment un simple électron pouvait moduler la capacité de fixation à l’ADN de ce FT. La capture de l’électron au centre [2Fe-2S]2+ cause l’addition d’une charge positive dans son environnent proche, provoquant ainsi un réarrangement structural qui modifie la surface de la protéine et réduit ainsi ses capacités à se fixer à l’ADN.

     NsrR ou comment contourner les défenses immunitaires de son hôte
Le projet MANGO-ICING a également permis de mieux comprendre comment le centre [4Fe-4S] au sein du FT NsrR[6], permet à une bactérie pathogénique de résister à l’une des armes immunitaires de son hôte : le monoxyde d’azote (NO). La production de ce gaz par les macrophages est un moyen de défense courant pour les organismes infectés par des bactéries. La NsrR permet à la bactérie de s’adapter et de résister à cette réponse en neutralisant le NO.
Eve de Rosny et Anne Volbeda insistent sur le caractère fondamental de leur recherche. Les applications de leurs travaux ne peuvent être imaginées que sur le plus long terme. Il s’agit pour les chercheurs d’apporter leur pierre, ou plutôt leur cristal, à la déjà vaste « encyclopédie des connaissances ».
[1] MANGO-ICING : Mechanisms of gene transcription regulation through iron-sulfur cluster signaling
[2] Le laboratoire de pointe de l’IBS, spécialisé dans les expérimentations en conditions sans oxygène, a été imaginé par Juan C. Fontecilla-Camps, bien avant l’émergence du projet MANGO-ICING. Il est l’une des raisons d’être de l’Institut de biologie structurale de Grenoble, créé conjointement par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et le CNRS en janvier 1992.
[3] En partenariat avec l’équipe britannique de Nick E. Le Brun, Anne Volbeda et Juan C. Fontecilla-Camps, sont parvenus à stabiliser le centre Fe-S de la RirA et à modéliser partiellement la structure de cette protéine. Ceci a permis à un peu mieux comprendre comment cette protéine régule les niveaux de fer intracellulaires. Gray E et al., « Stabilisation of the RirA [4Fe-4S] cluster results in loss of iron-sensing function ». Chemical Science, 2023 August 22;14(36):9744-9758.
[4] Volbeda A. et al., « Crystal Structure of the Transcription Regulator RsrR Reveals a [2Fe-2S] Cluster Coordinated by Cys, Glu, and His Residues », Journal of the American Chemical Society, 2019 February 13;141(6):2367-2375.
[5] Crack J.C. et al., « Electron and proton transfers modulate DNA binding by the transcription regulator RsrR ». Journal of the American Chemical Society, 2020, February 20; 142:5104-5116.
[6] Rohac R. et al., « Structural determinants of DNA recognition by the NO sensor NsrR and related Rrf2-type [FeS]-transcription factors », Communications Biology, 2022 July 30;5(1):769.

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L'émergence d'outils et de disciplines

La connaissance de l'ADN et de son fonctionnement a fortement progressé ces dernières années grâce aux progrès technologiques.

Publié le 25 janvier 2018


L'évolution des technologies a été fulgurante. Dans les années 1990, il a fallu 13 ans pour séquencer les 3,3 milliards de bases du génome humain alors qu'aujourd'hui, une vingtaine de séquenceurs utilisés en simultané permettent de le faire en 15 minutes. Rapidité, faible coût et surtout faible quantité d'ADN requise ouvrent le champ à de nouvelles applications, notamment dans l'épigénétique et le diagnostic médical.

LE SÉQUENÇAGE

Des révolutions technologiques
En 40 ans, le séquençage a connu de vraies révolutions technologiques grâce aux avancées en physique, chimie et aux nanotechnologies. L'activité, coûteuse à ses débuts, a développé une organisation de type industriel et optimise les rendements grâce à des séquenceurs automatiques. Les dépôts d'échantillons se faisaient à la main sur les premiers séquenceurs à gel. Aujourd'hui, un séquenceur (destiné à analyser des génomes autres qu'humains) est intégré dans une clef USB et s'acquiert pour moins de 1 000 euros. La première technique largement utilisée dès 1977 a été la méthode Sanger, du nom du double prix Nobel de chimie qui l'a mise au point. À partir de 2005, apparaissent de nouvelles technologies de séquençage dites de 2e génération, tel que le pyroséquençage. Des millions de molécules, toutes issues du même échantillon, sont traitées en même temps ; c'est l'heure du séquençage haut débit ! Bien qu'elles aient toutes des spécificités très différentes, trois phases les caractérisent. La première, la préparation d'une collection d'ADN d'intérêt. La deuxième : l'amplification de l'ensemble des fragments afin de générer un signal suffisant pour que le séquenceur le détecte. Et enfin la phase de séquençage elle-même : pendant la synthèse du brin complémentaire, un signal est généré à chaque fois qu'un nouveau nucléotide est incorporé. Inconvénient : les séquences sont plus courtes et le taux d'erreur plus élevé que précédemment ; ce problème est aujourd'hui résolu sur les séquenceurs de dernière génération.
Les années 2010 voient se développer de nouvelles plateformes, dites de 3e  génération. Ces appareils sont si sensibles qu’ils sont capables de séquencer une seule molécule d’ADN en quelques dizaines de minutes ! La dernière innovation présente un avantage majeur : pas besoin de répliquer l'ADN ni d'utiliser de fluorochromes, substance chimique capable d'émettre de la lumière par fluorescence. Sous la forme d’une puce dotée de nanopores (des canaux qui traversent une membrane), la machine capte directement les signaux électriques de chaque base d'ADN qui traverse le canal et permet de séquencer en un temps record. Cette méthode est pour l’instant réservée à de petits génomes, pas au génome humain.

       
La course aux génomes
La quête des gènes débute dans les années 1970. Lire la séquence de l’ADN devient indispensable pour les étudier, comprendre leur fonction et déceler les mutations responsables de maladies. Objectif ultime : déchiffrer les quelques 3,3 milliards de bases (3 300 Mb) du génome humain. Le projet est aussi ambitieux et presque aussi fou que celui d’envoyer un homme sur la Lune ! Les chercheurs commencent par de petits génomes. En 1995, le premier séquencé et publié est celui d’Haemophilus influenzae (1,8 Mb), une bactérie responsable de la méningite chez l’enfant. Suivra en 1996 celui d’un génome eucaryote unicellulaire, la levure Saccharomyces cerevisiae (12,5 Mb). Puis ce sera le tour du ver Caenorhabditis elegans (97 Mb) en 1998.

En 30 ans, les séquenceurs ont vu leur capacité augmenter d'un facteur 100 millions !


Quant au projet "Human genome", il démarre officiellement en 1989, pour une durée prévue de 15 ans et un budget global estimé à 3 milliards de dollars. Plus de 20 laboratoires de 7 pays différents sont impliqués. Les deux plus importants sont le Sanger Center (Grande-Bretagne) et le Whitehead Institute (États-Unis). En 1997, la France s'équipe d'une plateforme nationale, le Genoscope, et prend en charge le chromosome 14. La version complète de la séquence du génome humain sera publiée en avril 2003, avec plusieurs années d'avance (les chercheurs la complètent encore aujourd'hui). La course aux génomes continue : en août 2016, la base de données génomique internationale, en libre accès sur le site Gold (Genome On Line Database), faisait état de 13 647 organismes séquencés et publiés.


LA GÉNOMIQUE FONCTIONNELLE
La quête des gènes ressemble souvent à une pêche miraculeuse ! Une fois détectés et annotés, leur fonction reste à vérifier et les conditions de leur expression à découvrir. C'est là que la génomique structurelle atteint ses limites et que la génomique fonctionnelle prend le relais.
Cette dernière dresse un inventaire qualitatif et quantitatif sur deux niveaux : le transcriptome et le protéome. Le premier désigne l’ensemble des transcrits (ARNm) et le deuxième l’ensemble des protéines fabriquées. Alors que le génome est unique pour un organisme donné, il existe autant de transcriptomes et de protéomes que de stades de développement cellulaire ! Grâce aux nouvelles technologies de séquençage, l’étude de l’ensemble des transcrits permet non seulement de réaliser un catalogue des gènes exprimés mais aussi de quantifier l’expression des gènes et de déterminer la structure de chaque transcrit à un moment donné. Une deuxième technologie, les puces à ADN, permet aussi d’étudier le transcriptome par l’observation simultanée de l’expression de plusieurs milliers de gènes dans une cellule ou un tissu donné. L’analyse d’un transcriptome peut, par exemple, indiquer le stade de développement d’un cancer et permettre ainsi d’adapter au mieux le traitement du patient.
LE GÉNOTYPAGE : Le génotypage cherche les différences dans la séquence des génomes d'individus d'une même espèce. Ces différences constituent des " marqueurs génétiques ". Pour les trouver, le génotypage fait appel à trois technologies différentes ; le séquençage, les puces à ADN et la spectrométrie de masse. Les marqueurs potentiellement intéressants sont ceux qui se transmettent au sein d'une famille de la même manière et en même temps que le gène impliqué dans une maladie. Les études génétiques à haut débit consistent à analyser des centaines de milliers de ces marqueurs sur des milliers d'individus afin d'identifier et localiser les gènes prédisposant à des pathologies


LA MÉTAGÉNOMIQUE

Les technologies de séquençage permettent aujourd’hui d’appréhender le génome de tous les organismes d’un même écosystème en même temps ; la génomique fait place à la métagénomique.

Le projet international  "MetaHIT ”, auquel participe le CEA, a pour objectif d’étudier le génome de l'ensemble des bactéries constituant la flore intestinale humaine. Lourde tâche : le métagénome contient 100 fois plus de gènes que le génome humain et 85 % des bactéries sont encore inconnues. Premier résultat obtenu en mars 2010 : le séquençage de l’ensemble des gènes révèle que chaque individu abrite au moins 170 espèces différentes de bactéries intestinales.
En avril 2011, les chercheurs font une découverte assez inattendue. Ce ne sont pas les 3 signatures bactériennes intestinales identifiées qui sont corrélées à l'origine géographique, à l’âge ou à la masse corporelle des individus mais bien quelques poignées… de gènes bactériens ! La preuve de concept est faite : ces derniers pourront être utilisés comme biomarqueurs pour aider au diagnostic des patients touchés par des maladies comme l’obésité ou la maladie de Crohn. En 2014, une nouvelle approche permet de reconstituer le génome de 238 espèces complètement inconnues. Les chercheurs ont également trouvé plus de 800 relations de dépendance qui permettent de mieux comprendre le fonctionnement global de cet écosystème intestinal.

L'ÉPIGÉNÉTIQUE
Peut-on tout expliquer par la génétique ? Dès 1942, Conrad Waddington souligne l'incapacité de cette discipline à expliquer le développement embryonnaire. Comment, en effet, expliquer la différence entre une cellule du foie et un neurone alors que toutes renferment le même programme ? Ce généticien désigne l'épigénétique comme le lien entre les caractères observables (phénotypes) et l'ensemble des gènes (génotypes).
Comparons l'organisme à une voiture ; la génétique serait l'établi sur lequel sont exposées toutes les pièces mécaniques et l'épigénétique la chaîne d'assemblage des différents éléments. Ainsi, l'épigénétique jouerait les chefs d'orchestre en indiquant pour chaque gène à quel moment et dans quel tissu il doit s'exprimer. Suite à la découverte des premiers mécanismes épigénétiques qui régulent l'expression des gènes, les chercheurs ont appris à « museler » un gène à des fins thérapeutiques.
Première méthode : par modification des protéines sur lesquelles s'enroule l'ADN. Le gène se compacte et devient alors inaccessible à la transcription ; il ne s'exprime plus. Seconde méthode : inactiver directement son ARNm avec des ARN interférence qui bloquent sa traduction. Depuis les années 1990, de nouvelles molécules associées à la régulation épigénétique sont découvertes. L'ensemble de ces molécules, le plus souvent trouvées dans l'ADN non-codant, forme l'épigénome. Complémentaire de la génétique, l'épigénétique donne une vue plus complète de la machinerie cellulaire et révèle une surprenante complexité dans les régulations de l'expression génique. Elle ouvre des perspectives dans la compréhension et le traitement de nombreuses maladies.

CNRGH et GENOSCOPE - Au sein de l'Institut de biologie François Jacob, ces deux services développent des stratégies et thématiques scientifiques distinctes, sur un socle de ressources technologiques communes. Le Centre national de recherche en génomique humaine (CNRGH) est axé sur la génomique humaine et la recherche translationnelle. Les recherches du Genoscope (aussi appelé Centre national de séquençage) portent sur l'exploration et l'exploitation de la biodiversité génomique et biochimique.

LE PROJET TARA
L'expédition « Tara Oceans » a débuté en septembre 2009. Pour explorer la diversité et évaluer la concentration du plancton, 40 000 prélèvements ont été réalisés. Leur analyse permet d'étudier l'effet du réchauffement climatique sur les systèmes planctoniques et coralliens, ses conséquences sur la vie marine et donc la chaîne alimentaire. Elle aidera à mieux comprendre l'origine de la vie sur Terre. Enfin, le plancton représente une ressource de biomolécules potentiellement intéressante pour la chimie verte, l'énergie ou encore la pharmacie. Le Genoscope est chargé de l'analyse génétique des 2 000 échantillons « protistes » et « virus » ! En mai 2016, la goélette est repartie pour l'expédition « Tara Pacific ».
Objectif : Mieux comprendre la biodiversité des récifs coralliens, leur capacité de résistance, d'adaptation et de résilience face aux changements climatiques et à la pollution et dégradations dues à l'Homme. À bord et à terre, les chercheurs continuent leur travail de séquençage pour établir une base de données de tous les échantillons prélevés.

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métabolisme

(grec metabolê, de metaballein, transformer)

Consulter aussi dans le dictionnaire : métabolisme
Cet article fait partie du dossier consacré à la
nutrition
et du dossier consacré à la
respiration
.
Ensemble des processus complexes et incessants de transformation de matière et d'énergie par la cellule ou l'organisme, au cours des phénomènes d'édification (anabolisme) et de dégradation (catabolisme) organiques.

BIOCHIMIE
Au cours des diverses réactions physico-chimiques qui constituent la base des différentes fonctions organiques, et qui comportent nécessairement des oxydations (sources d'énergie), l'être vivant puise dans les aliments ou dans les substances de réserve le matériel et l'énergie nécessaire au maintien de son équilibre, et supplée aux dépenses de matière et d'énergie de chaque cellule. L'apport continu d'énergie dans chaque cellule d'un organisme sert à l'entretien, à la réparation et au renouvellement des structures devenues inutilisables, mais assure aussi le bon déroulement d'activités cellulaires telles que la croissance ou la division.
L'énergie dont les cellules ont besoin leur est fournie par les réactions chimiques.
Le métabolisme des glucides, des lipides, des protides est le métabolisme le plus important. Ces substances chimiques constitutives des aliments, après modifications subies dans le tube digestif (→ digestion), passent dans le milieu intérieur de l'organisme. Elles subissent alors de nouvelles modifications et peuvent prendre part à des synthèses de la matière vivante, à la constitution de réserves, ou être oxydées, et fournir ainsi leur énergie à l'organisme. Les métabolismes intermédiaires se font, pour chaque corps, sous l'action d'enzymes nombreuses, dans les tissus et les humeurs, avec spécialisation de certains organes comme le foie, le rein, les glandes à sécrétion interne.
L’anabolisme et le catabolisme
Les réactions du métabolisme se répartissent en deux grandes catégories : l’anabolisme rassemble les processus de synthèse de nouvelles molécules ; le catabolisme correspond à la dégradation de structures devenues inutiles en molécules plus petites qui sont soit « recyclées » par la cellule, soit éliminées par l’organisme.
Le catabolisme permet à la cellule de récupérer de l'énergie, qu'elle stocke dans des composés particuliers – le plus souvent l’ATP, ou adénosine triphosphate. Ces réserves énergétiques sont utilisées ultérieurement pour la contraction musculaire, la production d'influx nerveux, mais aussi à l'occasion de la synthèse de nouvelles molécules. L'anabolisme et le catabolisme nécessitent, dans la plupart des cas, la présence d'enzymes.
Chez tous les organismes, l’anabolisme et le catabolisme sont interdépendants : l’énergie de dégradation du catabolisme est nécessaire à l’élaboration des macromolécules (protéines, acides nucléiques, etc.) produites par l’anabolisme. Ces nouveaux composés peuvent à leur tour entrer dans la chaîne de réactions du catabolisme.

Réactions biochimiques et niveaux d’énergie
Les réactions spontanées
Si les réactifs initiaux possèdent un niveau d'énergie plus élevé que les produits finaux, la réaction chimique peut se déclencher spontanément. Elle s'amorce d'elle-même, tout comme une balle roule jusqu'au pied d'une colline et ne peut remonter que si elle est poussée ou portée jusqu'au sommet, autrement dit, si on lui fournit une quantité d'énergie suffisante.
La différence entre les niveaux énergétiques de l'état initial et de l'état final correspond à l'énergie dissipée dans le milieu ambiant sous forme de chaleur et de travail. Quel que soit le rendement d'une réaction chimique, seul un certain pourcentage de l'énergie libérée au cours de cette réaction est effectivement utilisé pour produire du travail.
Les réactions couplées
Les réactions dites « ascendantes » donnent naissance à des produits dont le niveau énergétique est plus élevé que celui des matériaux de départ ; elles ne peuvent avoir lieu que grâce à un apport énergétique. La cellule fournit cette énergie en synthétisant dans un premier temps un composé à niveau énergétique élevé qui, lorsqu'il est dégradé, libère plus d'énergie qu'il n'en faut pour la réaction ascendante. Le composé le plus fréquemment utilisé est l'ATP.
La synthèse du matériau désiré et la dégradation de l'ATP sont étroitement liées, de sorte que la réaction globale est une réaction « descendante », laquelle est réalisable sur le plan énergétique.
Ce couplage peut avoir lieu grâce à divers mécanismes : supposons que deux substances, A et B, réagissent pour former deux produits, C et D ; si le niveau énergétique de ces produits est plus élevé que celui des substances, la réaction ne peut se déclencher spontanément. Toutefois, si le produit D a la faculté de réagir avec une substance E pour former des substances F et G à un niveau d'énergie bien moindre – c'est-à-dire au cours d'une réaction spontanée –, la quantité d'énergie produite par la deuxième réaction dépasse les besoins énergétiques de la première ; les deux réactions couplées peuvent ainsi se dérouler sans difficulté.
Un système biochimique, quel qu'il soit, évolue naturellement vers un niveau de plus faible énergie. Cette notion a d'ailleurs valeur de généralité et peut être appliquée à n'importe quel système, comme l'expriment les lois de la thermodynamique.

La production d’énergie
Les glucides constituent la principale source d’énergie des cellules, mais les acides gras (principaux constituants des lipides) et les protides peuvent également jour un rôle énergétique important. Trois étapes principales, communes à tous les êtres vivants, conduisent à la production d’énergie : la glycolyse, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative, couplée à la chaîne respiratoire. Chez les eucaryotes, la première se produit dans le cytosol de la cellule, les suivantes dans les mitochondries ; chez les procaryotes (bactéries), les composants et enzymes de ces différentes voies sont plus dispersés dans la cellule.
Le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative constituent la voie aérobie (qui a lieu en la présence d’oxygène) de production d’énergie dans les cellules. Si l’oxygène vient à manquer, se mettent en place des réactions de fermentations (voie anaérobie).
Les molécules organiques nécessaires à la production d’énergie (dont l’apport continuel est indispensable au maintien de la vie) sont produites par les végétaux grâce à la photosynthèse. Ces derniers fournissent aux animaux qui s’en nourrissent à la fois leurs matériaux de construction et leur carburant.
La glycolyse et la voie des pentoses phosphates
La glycolyse (ou voie Embden-Meyerhof, du nom des scientifiques qui l’ont mise en évidence) est un ensemble de réactions qui permettent la transformation du glucose (ou d’un autre hexose, glucide en C6, à 6 atomes de carbone) en acide pyruvique, ou pyruvate. Ce dernier produit entre ensuite dans la mitochondrie pour y être transformé en acétyl-CoA, incorporé dans le cycle de Krebs, ou bien être utilisé dans des réactions de fermentation anaérobie. Le bilan énergétique de la glycolyse est positif, car il produit deux molécules d'ATP pour une molécule de glucose dégradé en deux molécules d'acide pyruvique.
Les hexoses peuvent également être partiellement décomposés en entrant dans le cycle des pentoses (sucres en C5, comme le ribose, qui joue un rôle dans le métabolisme des glucides). Ce cycle permet, en outre, de produire ou de dégrader les oses (sucres) à cinq carbones dont la cellule a besoin, notamment lors de la synthèse des acides nucléiques.
Le cycle de Krebs
Appelé aussi cycle de l’acide citrique, le cycle de Krebs, mis en évidence en 1937 par le biochimiste britannique sir Hans Adolf Krebs, est la principale source de molécules d’hydrogène.
Le cycle de Krebs comprend neuf constituants, chacun d'eux pouvant en donner un suivant jusqu'à revenir au composé initial (cycle biochimique). Le dernier, une molécule d'oxaloacétate (à quatre atomes de carbone), se condense avec le groupement acétyle (à deux atomes de carbone) de l'acétyl-CoA (produit par la transformation de l’acide pyruvique dans la matrice de la mitochondrie), pour donner naissance au premier constituant du cycle, l'acide citrique (six atomes de carbone).
L'oxaloacétate est régénéré à chaque fin de cycle, prêt à en enchaîner un nouveau. Chaque réaction du cycle de Krebs est catalysée par une enzyme spécifique. À chaque nouveau « tour », les composés à six atomes de carbone donnent des composés à quatre atomes de carbone.
Au cours de cette opération, plusieurs atomes d'hydrogène sont transférés sur un dérivé vitaminique, le NAD, et les deux atomes de carbone éliminés sous forme de dioxyde se retrouvent dans l'air expiré par l'organisme.
Les intermédiaires intervenant dans le cycle de Krebs sont formés soit à partir du glucose, soit à partir de divers acides aminés. Les radicaux acétyles, qui doivent alimenter sans discontinuer le cycle de Krebs, sont obtenus à partir des acides gras ou du glucose. Ainsi, protides, glucides et lipides peuvent être indirectement utilisés dans les réactions du cycle de Krebs aux fins de produire des composés à niveau énergétique élevé. La cellule parvient sans difficulté à maintenir la concentration des métabolites intermédiaires parce qu'ils participent à de nombreuses autres réactions du métabolisme.
La chaîne respiratoire
Certaines réactions chimiques du métabolisme permettent la constitution de composés hydrogénés ayant un très haut niveau énergétique ; c'est le cas des réactions de décarboxylation et de déshydrogénation – qui ont lieu au cours du cycle de Krebs –, de la glycolyse ou de la β-oxydation. Ces transporteurs d'hydrogène, principalement le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD, ou NADH2 dans sa forme hydrogénée) et la flavine adénine dinucléotide (FAD, ou FADH2 dans sa forme hydrogénée), sont susceptibles d'entrer dans un système oxydatif, la « chaîne respiratoire » – qui consomme de l’oxygène –, et de libérer une grande quantité d'énergie.
On trouve sur la membrane intérieure des mitochondries (organites cellulaires dans lesquels a lieu la respiration cellulaire) et en son sein de grosses molécules qui ont la faculté d'alterner rapidement oxydations et réductions. Chaque molécule de NAD, transporteur d'hydrogène, fournit deux électrons et un proton. Le système prend en charge le transfert des électrons tout au long des réactions qui se succèdent ; les protons sont transférés dans la matrice de la mitochondrie avec les premiers composés (la vitamine riboflavine, de nombreux composés à base de fer et de soufre, et une quinone appelée coenzyme Q). Les électrons traversent ensuite une série de cytochromes (molécules structurellement très proches de l'hémoglobine), dont le dernier catalyse la synthèse de molécules d'eau à partir des électrons, des protons et de l'oxygène provenant de l'air respiré par l'organisme (→ respiration). Ces cytochromes ont une affinité croissante pour les électrons, de sorte que les réactions qui se suivent sont toutes descendantes et qu'il y a libération d'une très grande quantité d'énergie.
La phosphorylation oxydative
L'énergie produite le long de la chaîne respiratoire sert à l'établissement d'une liaison chimique entre l'adénosine diphosphate (ADP) et un phosphate non organique (Pi) pour former de l'ATP. En fait, lorsqu'une paire d'électrons parcourt le système de transport d'une extrémité à l'autre, pour être finalement fixée par l'oxygène, la quantité d'énergie captée est assez importante pour permettre la synthèse de trois molécules d'ATP.
Dans les cellules capables d'assurer pleinement leurs fonctions, le transport des électrons est étroitement lié à la phosphorylation oxydative. Ainsi, quand la synthèse d'ATP est inhibée (ce qui peut arriver en cas de carence en Pi, en ADP ou en oxygène), le transport des électrons ne peut avoir lieu. L'ATP synthétisé est utilisé dans toute la cellule pour permettre la plupart des réactions qui consomment de l'énergie.
Chez les vertébrés, certains tissus, notamment les muscles du squelette et le cerveau, disposent d'un stock d'énergie supplémentaire ; il est maintenu en permanence grâce à l'excès d'ATP, utilisé pour former, à partir de la créatine, un autre composé à niveau énergétique élevé, la phosphocréatine (appelée aussi créatine phosphate ou phosphagène). Lorsque le besoin d'ATP apparaît, la phosphocréatine a la faculté de transférer rapidement son groupement phosphate sur l'ADP, reformant ainsi de l'ATP. Les invertébrés procèdent de même à partir de la phosphoarginine.
Les réactions anaérobies
Toutes les cellules ont la faculté de synthétiser de l'ATP en l'absence d'oxygène (réactions anaérobies), par le biais de réactions de fermentation. On désigne le plus souvent les fermentations par le nom des produits terminaux ainsi formés : alcoolique, butyrique, lactique, malolactique, etc.
Comme dans la voie aérobie, le glucose est transformé en acide pyruvique par la glycolyse. L’acide pyruvique est ensuite dégradé sous l’action d’une enzyme, en un produit éliminé par la cellule : acide lactique (ou lactate) dans la fermentation lactique (l’enzyme est la lactate déshydrogénase), éthanol dans la fermentation alcoolique (enzyme : alcool déshydrogénase), etc.
Ainsi, les bactéries du lait en absorbent le sucre et le transforment en acide lactique, au cours d'un processus métabolique qui produit assez d'ATP pour satisfaire les besoins des bactéries. L'acide lactique, éliminé par les cellules bactériennes, rend le lait aigre.
De même, chez les animaux, l'activité musculaire peut se poursuivre, pendant un laps de temps assez court, sans apport d'oxygène ; l'acide lactique produit par la fermentation lactique passe dans le sang. Si la privation d'oxygène dure longtemps, l'acidité bloque toute activité métabolique et la cellule musculaire meurt.

BOTANIQUE
Le métabolisme des végétaux
Contrairement aux animaux, qui tirent de leur alimentation les nutriments et l'énergie dont ils ont besoin, les végétaux fabriquent eux-mêmes, à partir du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2), les composés nécessaires à leurs biosynthèses. Ils absorbent dans le sol l'eau, les sels minéraux, l'azote et le phosphore.

La photosynthèse
La photosynthèse est un processus qui utilise l'énergie solaire pour produire des composés organiques, les glucides, et de l'oxygène à partir du gaz carbonique et de l'eau. Chez les plantes vertes, la photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, organites situés dans les cellules des feuilles. C’est le pigment qu’ils contiennent, la chlorophylle, qui permet de capter l’énergie lumineuse du soleil.
Les glucides synthétisés par les chloroplastes sont les éléments de base utilisés pour la production des composés de la cellule. Le catabolisme (dégradation) du sucre fournit l'énergie nécessaire au métabolisme des végétaux. (→ photosynthèse.)
Les substances produites par les végétaux
La quasi-totalité des composés végétaux est dérivée, d'une manière ou d'une autre, du glucose produit par photosynthèse. Un végétal est constitué pour l'essentiel de sucres modifiés ou de leurs composés : polysaccharides (cellulose), polysaccharides non cellulosiques (xylanes, mannanes), hémicellulose, pectines, ou lignine des plantes ligneuses.
L'azote végétal provient généralement des nitrates absorbés par les racines. Les nitrates doivent être transformés en ammoniac pour que l'azote soit utilisable lors de la synthèse des protéines. Cette transformation repose sur des réactions déclenchées par le processus oxydant de la respiration.
Les réserves énergétiques
De nombreux végétaux emmagasinent le sucre sous forme de saccharose, mais la plupart d'entre eux le stockent sous forme d'amidon – grosse molécule, moins soluble mais plus stable que le saccharose. Par ailleurs, l'amidon est mis en réserve dans certains types de graines, qui l'utilisent comme nutriment au cours de la germination, dans les jeunes branches, où il fournit l'énergie nécessaire à la croissance des bourgeons, ainsi que dans des tubercules et des racines, pour alimenter la nouvelle pousse.
L'amidon se forme à l'issue d'une série de réactions analogues à celles qui conduisent à la synthèse du glycogène chez les animaux.
Quand les besoins en glucose atteignent un seuil donné, le processus de reconversion de l'amidon végétal en glucose (qui est alors catabolisé par la respiration) s'effectue. Les graisses sont également stockées sous forme de réserves provisionnelles, en particulier dans les fruits et les graines.

PHYSIOLOGIE HUMAINE
Chez l’homme, le métabolisme de base est évalué en mesurant la consommation d’oxygène d’un sujet à jeun, au repos et allongé, à une température « neutre » (18 à 20° pour un sujet habillé). Dans ces conditions, elle est en moyenne de 6 700 kJ (1 600 kcal) par 24 h pour un adulte de 70 kg. Les besoins énergétiques d’un adulte sont variables en fonction de son âge, de son activité physique, de la température extérieure, etc. En moyenne, on estime que les besoins par 24 h sont de 11 000 kJ (2 600 kcal) pour un homme adulte et de 8 500 kJ (2 000 kcal) pour une femme adulte. Les réserves de graisse d’un homme adulte lui permettent de soutenir un jeûne de plusieurs semaines.
Pour en savoir plus, voir l'article dépense énergétique [médecine].

ZOOLOGIE
Le métabolisme des animaux
Les besoins en énergie des animaux sont couverts par l’alimentation : la dégradation des molécules organiques qui constituent les aliments fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’organisme et au renouvellement de ses cellules. Le métabolisme est un processus continu dans la mesure où la brièveté de l'existence des molécules ou des cellules du corps demande leur renouvellement constant, tout en préservant la structure propre du tissu. Ce processus ininterrompu, sans variation sensible de la quantité d'un constituant cellulaire, est connu sous le nom d'« état stationnaire dynamique ».
Besoins et dépenses
Les matériaux de construction essentiels au métabolisme sont le glucose (provenant de la digestion d'hydrates de carbone alimentaires), les acides aminés (cédés par les protéines alimentaires), ainsi que les acides gras et le glycérol (dérivés des graisses). Si la plupart des cellules utilisent en premier lieu les réserves disponibles de glucose, notamment peu après le repas, elles se servent des graisses comme principale source énergétique, quelques heures plus tard ; elles puisent dans les réserves en protéines des tissus du corps à mesure que le jeûne se prolonge.

Le métabolisme de base
Un organisme a besoin d’un minimum d’énergie pour assurer le maintien des fonctions essentielles assurant la vie (respiration, circulation, entretien des cellules, tonus musculaire, activité électrique du cerveau, etc.), en-dehors de toute autre activité. Cette dépense énergétique minimale indispensable représente le métabolisme de base, ou métabolisme basal.
Le terme « métabolisme de base » ne saurait être appliqué aux animaux « à sang froid » (poïkilothermes), du fait du caractère particulier de leur métabolisme. En effet, le métabolisme varie avec la température du corps, or la température de ces animaux (reptiles, amphibiens) dépend de la température ambiante. On parle, à propos de ces animaux, de « métabolisme standard » pour évoquer le métabolisme minimal des sujets en période de jeûne, placés dans des conditions de température déterminées.
Des besoins variables
Le métabolisme d'un animal donné, et ses besoins énergétiques, connaissent des variations importantes dans le temps, et ce en fonction de divers facteurs : l'intensité de l'activité musculaire ; la nature du comportement alimentaire ; la température ; la digestion, la gestation ou la lactation ; le moment de la journée ou la période de l'année ; la période du cycle ovarien chez les mammifères ; ou encore la situation émotionnelle.

La régulation du métabolisme chez les animaux
Chez les animaux, le métabolisme cellulaire, qui maintient les fonctions vitales, doit présenter deux caractéristiques tout aussi importantes : globalité et coordination. Cette dernière condition est satisfaite grâce aux échanges intercellulaires, même entre les cellules situées en deux points du corps éloignés l'un de l'autre.
Chez la plupart des animaux supérieurs, cette communication s'effectue grâce au système nerveux et aux diverses substances messagères. Les plus connues sont les hormones qui, sécrétées dans le sang par les glandes endocrines, circulent dans tout l'organisme. Chaque hormone affecte le métabolisme des cellules possédant les récepteurs spécifiques de cette hormone. Il arrive que les cellules cibles soient celles d'une autre glande endocrine, qui sécrète à son tour une hormone affectant d'autres cellules. Les sécrétions endocrines sont à l'origine de changements métaboliques en de nombreuses régions du corps.
Formant un autre groupe, certaines substances chimiques messagères ont une action spécifiquement locale. Il s'agit des prostaglandines, que l'on rencontre dans tout le corps, mais qui n'affectent généralement que les cellules de la région dans laquelle elles sont déversées.
D'autres messagers locaux exercent une action sur les tissus nerveux, et certaines substances chimiques sont si localisées qu'elles affectent les enzymes de la cellule même dans laquelle elles sont sécrétées.

Les réserves énergétiques
Les nutriments en excès, qui ne sont pas immédiatement utilisés pour répondre aux besoins énergétiques, sont mis en réserve sous forme de glycogène (dans le foie et les muscles squelettiques) et de triglycérides (graisses) dans les tissus adipeux. Chez les vertébrés, les sucres en excès peuvent être convertis rapidement en graisses, mais l'inverse n'est pas possible.
Chez les mammifères, près de 50 % du glucose sont généralement complètement dégradés en dioxyde de carbone et en eau (oxydation), tandis que 5 % deviennent du glycogène et que 30 à 40 % sont convertis en graisses. Les hydrates de carbone emmagasinés sous forme de glycogène suffisent pour répondre aux besoins énergétiques pendant quelques heures seulement, tandis que les réserves de graisse permettent de pallier une absence de nourriture pouvant se compter en jours ou en semaine selon l’espèce.

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L’infection de certains neurones par le SARS-CoV-2 pourrait être à l’origine de symptômes persistants

15 SEP 2023 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE) | NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE

Image illustrant l’infection par le SRAS-CoV2 (immunoréactivité pour la protéine S en blanc) dans les neurones olfactifs exprimant la protéine marqueur olfactive (OMP, en rouge) dans l’épithélium nasal humain. ©Vincent Prévot/Inserm

Les conséquences sur le cerveau d’une infection par le SARS-CoV-2, responsable de la Covid-19 sont de plus en plus documentées par la littérature scientifique. Des chercheurs et chercheuses de l’Inserm, du CHU de Lille et de l’Université de Lille, au sein du laboratoire Lille neuroscience et cognition, en collaboration avec leurs collègues de l’Imperial College London, se sont intéressés plus spécifiquement aux conséquences de cette infection sur une population précise de neurones connue pour réguler la reproduction sexuelle via l’hypothalamus (les neurones exprimant l’hormone GnRH). Leurs résultats, suggèrent que l’infection peut entraîner la mort de ces neurones et être à l’origine de certains symptômes qui persistent dans le temps. Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue eBioMedicine.

De nombreuses études scientifiques ont documenté les conséquences sur le cerveau d’une infection au SARS-CoV-2. Parmi les effets qui ont été identifiés, une proportion significative d’hommes présente des taux de testostérone faibles qui persistent dans le temps. Au-delà de quatre semaines, on peut parler alors de « Covid long ».

Une équipe de recherche de l’Inserm, du CHU et de l’Université de Lille, étudie depuis de nombreuses années le rôle de certains neurones exprimant une hormone appelée GnRH (Gonadotropin-Releasing Hormone). Ces neurones contrôlent depuis l’hypothalamus tous les processus associés aux fonctions reproductrices : la puberté, l’acquisition des caractères sexuels secondaires et la fertilité à l’âge adulte.

Ces mêmes scientifiques avaient par exemple précédemment identifié qu’un dysfonctionnement des neurones à GnRH dans un modèle animal de la trisomie 21, pouvait avoir des conséquences sur l’altération des fonctions cognitives associées à cette maladie.

Dans une nouvelle étude, ils ont voulu tester l’hypothèse selon laquelle une infection par le SARS-CoV-2 peut avoir des conséquences délétères sur cette population de neurones régulateurs de la reproduction.


Le virus pénètre les neurones à GnRH et altère leurs fonctions

En s’appuyant sur les dosages hormonaux (testostérone et LH) réalisés trois mois et un an après l’infection chez un petit groupe de 47 hommes[1], les scientifiques ont constaté que le contact avec le virus pouvait altérer les fonctions des neurones à GnRH, entraînant une chute du taux de testostérone chez certains patients quelques temps après l’épisode infectieux.

Les scientifiques ont ensuite voulu vérifier si l’infection des neurones à GnRH et les anomalies hormonales observées après l’infection pouvaient être associées à des déficits cognitifs. Ils ont pour cela répertorié les symptômes cognitifs rapportés par les patients de la cohorte, qui ont subi des tests approfondis à 3 mois, puis 1 an après l’infection.
Résultats : la proportion de patients signalant des troubles de la mémoire ou de l’attention, quelle que soit leur fréquence ou leur gravité, mais aussi des difficultés de concentration, avait tendance à être légèrement plus élevée chez les patients qui présentaient des dosages hormonaux anormaux, caractérisés par une baisse du taux de testostérone.

« Bien qu’il s’agisse de mesures effectuées sur un petit échantillon de patients et uniquement masculins, ces résultats sont très intéressants et mériteraient d’être approfondis dans le cadre d’autres études menées à plus grande échelle », explique Waljit Dhillo, professeur à l’Imperial College London, co-dernier auteur de cette étude.

Pour compléter leurs analyses, les chercheurs ont enfin étudié le cortex de patients décédés des suites de la Covid-19. Ils ont identifié la présence du virus au niveau de l’hypothalamus et ont constaté la mort d’une partie de la population de neurones à GnRH.

« Ces résultats peuvent être inquiétants sur plusieurs points au regard du rôle de ces neurones dans la reproduction et de leur implication dans certaines fonctions cognitives. Ils pointent la nécessité d’optimiser et de généraliser le suivi médical des personnes atteintes de symptômes persistants suite à une infection par la Covid-19 », conclut Vincent Prévot, directeur de recherche à l’Inserm, co-dernier auteur de cette étude.

L’étude incite aussi à poursuivre les travaux sur les conséquences neurologiques du Covid long.

Ce projet de recherche a bénéficié d’un financement de l’ANRS-MIE.

 

[1]Ces données ont été collectées dans le cadre d’une étude plus large évaluant les fonctions surrénaliennes et thyroïdiennes après une infection par le Sars-CoV-2 : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34008009/

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