La mouches des fruits vole une défense efficace contre les bactéries
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Dans la course aux armements continuelle entre les parasites et leurs hôtes, l’innovation était considérée comme la clé d’une attaque ou d’une défense réussie qui surpasserait la concurrence.
Mais parfois, comme dans le monde de l’entreprise, le vol pur et simple peut être un moyen plus rapide d’acquérir une position dominante.
Les biologistes de l’Université de Californie à Berkeley ont montré que plusieurs espèces de mouches des fruits ont volé une défense efficace contre les bactéries pour survivre à la prédation des guêpes parasites, qui, chez certaines mouches, peuvent transformer la moitié de toutes les larves de mouches en utérus de substitution pour les bébés guêpes – ; un destin horrible qui a inspiré la créature dans le film « Alien » de 1979.
Les bactéries et autres microbes sont réputés pour voler les gènes d’autres microbes ou virus ; ce que l’on appelle le transfert horizontal de gènes est à l’origine d’une résistance aux antibiotiques gênante parmi les microbes pathogènes. Mais on pense que cela est moins fréquent chez les organismes multicellulaires, comme les insectes et les humains. Comprendre à quel point il est courant chez les animaux et comment ces gènes sont récupérés et partagés peut aider les scientifiques à comprendre l’évolution des défenses immunitaires animales et pourrait ouvrir la voie à des thérapies humaines pour lutter contre les maladies parasitaires ou infectieuses ou le cancer, lui-même une sorte de parasite.
C’est un modèle pour comprendre comment évoluent les systèmes immunitaires, y compris notre système immunitaire, qui contient également des gènes transférés horizontalement. »
Noah Whiteman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire et de biologie intégrative à l’UC Berkeley et directeur du musée d’entomologie Essig du campus
L’année dernière, les chercheurs et leurs collègues hongrois ont utilisé l’édition du génome CRISPR pour éliminer le gène responsable de la défense chez une espèce de mouche très répandue, Drosophile ananasséeet a découvert que presque toutes les mouches génétiquement modifiées mouraient de prédation par des guêpes parasites.
Dans une nouvelle étude publiée le 20 décembre dans la revue Biologie actuelleles biologistes ont démontré que cette défense – ; un gène qui code pour une toxine – ; peut être modifié dans le génome de la mouche commune des fruits de laboratoire, Drosophile melanogasterpour les rendre également résistants aux guêpes parasitoïdes. Le gène devient essentiellement une partie du système immunitaire de la mouche, une arme dans son arsenal pour repousser les parasites.
Les résultats démontrent à quel point la défense volée est cruciale pour la survie en vol et mettent en évidence une stratégie qui pourrait être plus courante chez les animaux que les scientifiques soupçonnent.
« Cela montre que le transfert horizontal de gènes est un moyen sous-estimé d’évolution rapide chez les animaux », a déclaré Rebecca Tarnopol, doctorante à l’UC Berkeley, première auteure de l’étude. Biologie actuelle papier. « Les gens apprécient le transfert horizontal de gènes comme l’un des principaux moteurs de l’adaptation rapide des microbes, mais on pensait que ces événements étaient très rares chez les animaux. Mais au moins chez les insectes, il semble qu’ils soient assez fréquents. »
Selon Whiteman, auteur principal de l’article, « l’étude montre que pour faire face au barrage de parasites qui développent continuellement de nouvelles façons de vaincre les défenses de l’hôte, une bonne stratégie pour les animaux consiste à emprunter des gènes à des gènes évoluant encore plus rapidement ». virus et bactéries, et c’est exactement ce que ces mouches ont fait. »
Flux génétique du virus aux bactéries pour voler
Whiteman étudie comment les insectes évoluent pour résister aux toxines produites par les plantes pour éviter d’être mangées. En 2023, il a publié un livre, « Most Delicious Poison », sur les toxines végétales que les humains apprécient, comme la caféine et la nicotine.
Une interaction plante-herbivore sur laquelle il se concentre est celle entre la mouche commune des fruits Scaptomyza flava et des plants de moutarde au goût aigre, comme les cressons qui poussent dans les ruisseaux du monde entier.
« Les larves, les stades immatures de la mouche, vivent dans les feuilles de la plante. Ce sont des mineuses des feuilles, elles laissent de petites traces dans les feuilles », a déclaré Whiteman. « Ce sont de véritables parasites de la plante et celle-ci essaie de les tuer avec ses produits chimiques spécialisés. Nous étudions cette course aux armements. »
Ce qu’il a appris, cependant, s’applique probablement à de nombreux autres insectes, parmi les herbivores les plus prospères de la planète.
« Ce sont de petites mouches obscures, mais si vous pensez au fait que la moitié de toutes les espèces d’insectes vivantes sont des herbivores, c’est une histoire de vie très populaire. Comprendre son évolution est vraiment important pour comprendre l’évolution en général en termes de succès des herbivores. le sont », a-t-il déclaré.
Il y a plusieurs années, après avoir séquencé le génome de la mouche à la recherche de gènes lui permettant de résister aux toxines de la moutarde, il a découvert un gène inhabituel dont il a appris qu’il était répandu chez les bactéries. Une recherche dans des séquences génomiques publiées antérieurement a révélé le même gène chez une mouche apparentée, Drosophile ananasséeainsi que chez une bactérie qui vit à l’intérieur d’un puceron. Les chercheurs étudiant le puceron ont découvert une histoire complexe : le gène provient en fait d’un virus bactérien, ou bactériophage, qui infecte les bactéries qui vivent à l’intérieur du puceron. Le gène du bactériophage, exprimé par la bactérie, rend le puceron résistant à une guêpe parasite qui le ravage.
Ces guêpes pondent leurs œufs à l’intérieur des larves, ou asticots, et y restent jusqu’à ce que les larves se transforment en pupes immobiles, moment auquel les œufs de guêpe mûrissent en larves de guêpes qui consomment la pupe de mouche, pour finalement émerger comme adultes.
Lorsque Tarnopol a utilisé pour la première fois l’édition génétique pour exprimer le gène de la toxine dans toutes les cellules de D. melanogaster, toutes les mouches sont mortes. Mais lorsque Tarnopol a exprimé le gène uniquement dans certaines cellules immunitaires, la mouche est devenue aussi résistante aux parasites que sa cousine, D. ananassae.
Whiteman, Tarnopol et leurs collègues ont découvert par la suite que le gène présent dans le génome de D. ananassae – ; une fusion entre deux gènes de toxines, toxine de distension cytolétale B (cdtB) et protéine induisant l’apoptose de 56 kDa (aip56), que les chercheurs ont appelé fusionB – ; code pour une enzyme qui coupe l’ADN.
Pour découvrir comment cette nucléase est capable de tuer un œuf de guêpe, les chercheurs de l’UC Berkeley ont contacté István Andó de l’Institut de génétique du Centre de recherche biologique HUN-REN à Szeged, en Hongrie, qui avait précédemment montré que ces mêmes mouches avaient un défense cellulaire contre les œufs de guêpe qui sépare essentiellement les œufs du corps de la mouche et les tue. Andó et ses collègues de laboratoire ont créé des anticorps contre la toxine qui leur ont permis de la suivre à travers le corps de la mouche et ont découvert que la nucléase inondait essentiellement le corps de la mouche pour entourer et tuer l’œuf.
« Nous avons découvert cet immense monde inexploité de facteurs immunitaires humoraux qui pourraient jouer un rôle dans le système immunitaire des invertébrés », a déclaré Tarnopol. « Notre article est l’un des premiers à montrer, au moins chez la drosophile, que ce type de réponse immunitaire pourrait être un mécanisme courant par lequel les ennemis naturels comme les guêpes et les nématodes sont combattus. Ils sont de nature bien plus mortelles que certains d’entre eux. les infections microbiennes avec lesquelles la plupart des gens travaillent.
Whiteman et ses collègues explorent toujours la complexité de ces interactions entre mouches et guêpes, ainsi que les changements cellulaires et génétiques qui ont permis aux mouches de synthétiser une toxine sans se tuer.
« Si le gène est exprimé dans le mauvais tissu, la mouche va mourir. Ce gène ne se propagera jamais à travers les populations par sélection naturelle », a déclaré Whiteman. « Mais s’il atterrit à un endroit du génome proche d’un amplificateur ou d’un composant régulateur qui l’exprime un peu dans les tissus adipeux, alors vous pouvez voir comment il peut faire avancer cette jambe très rapidement, vous obtenez cet avantage incroyable. «
Le transfert horizontal de gènes dans n’importe quel organisme poserait des problèmes similaires, a-t-il déclaré, mais dans la course aux armements entre prédateurs et proies, cela en vaut peut-être la peine.
« Quand on est une pauvre petite mouche des fruits, comment faire face à ces pathogènes et parasites qui évoluent rapidement pour profiter de nous ? » dit-il. « Une solution consiste à emprunter des gènes à des bactéries et à des virus parce qu’ils évoluent rapidement. C’est une stratégie ingénieuse : au lieu d’attendre que vos propres gènes vous aident, prenez-les d’autres organismes qui évoluent plus rapidement qu’eux-mêmes. Et cela semble s’être produit plusieurs fois indépendamment chez les insectes, étant donné que tant d’insectes différents ont adopté ce gène. Cela nous donne une image d’un nouveau type de dynamisme qui se produit même chez les animaux qui n’ont qu’un système immunitaire inné et qui n’en ont pas. avoir une immunité adaptative.
Le travail de Whiteman a été financé par l’Institut national des sciences médicales générales des National Institutes of Health (R35GM119816). Les autres co-auteurs de l’article sont Josephine Tamsil, Ji Heon Ha, Kirsten Verster et Susan Bernstein de l’UC Berkeley, Gyöngyi Cinege, Edit Ábrahám, Lilla B. Magyar et Zoltán Lipinszki de Hongrie et Bernard Kim de l’Université de Stanford.
La mouches des fruits vole une défense efficace contre les bactéries
Dans la course aux armements continuelle entre les parasites et leurs hôtes, l’innovation était considérée comme la clé d’une attaque ou d’une défense réussie qui surpasserait la concurrence.
Mais parfois, comme dans le monde de l’entreprise, le vol pur et simple peut être un moyen plus rapide d’acquérir une position dominante.
Les biologistes de l’Université de Californie à Berkeley ont montré que plusieurs espèces de mouches des fruits ont volé une défense efficace contre les bactéries pour survivre à la prédation des guêpes parasites, qui, chez certaines mouches, peuvent transformer la moitié de toutes les larves de mouches en utérus de substitution pour les bébés guêpes – ; un destin horrible qui a inspiré la créature dans le film « Alien » de 1979.
Les bactéries et autres microbes sont réputés pour voler les gènes d’autres microbes ou virus ; ce que l’on appelle le transfert horizontal de gènes est à l’origine d’une résistance aux antibiotiques gênante parmi les microbes pathogènes. Mais on pense que cela est moins fréquent chez les organismes multicellulaires, comme les insectes et les humains. Comprendre à quel point il est courant chez les animaux et comment ces gènes sont récupérés et partagés peut aider les scientifiques à comprendre l’évolution des défenses immunitaires animales et pourrait ouvrir la voie à des thérapies humaines pour lutter contre les maladies parasitaires ou infectieuses ou le cancer, lui-même une sorte de parasite.
L’année dernière, les chercheurs et leurs collègues hongrois ont utilisé l’édition du génome CRISPR pour éliminer le gène responsable de la défense chez une espèce de mouche très répandue, Drosophile ananasséeet a découvert que presque toutes les mouches génétiquement modifiées mouraient de prédation par des guêpes parasites.
Dans une nouvelle étude publiée le 20 décembre dans la revue Biologie actuelleles biologistes ont démontré que cette défense – ; un gène qui code pour une toxine – ; peut être modifié dans le génome de la mouche commune des fruits de laboratoire, Drosophile melanogasterpour les rendre également résistants aux guêpes parasitoïdes. Le gène devient essentiellement une partie du système immunitaire de la mouche, une arme dans son arsenal pour repousser les parasites.
Les résultats démontrent à quel point la défense volée est cruciale pour la survie en vol et mettent en évidence une stratégie qui pourrait être plus courante chez les animaux que les scientifiques soupçonnent.
« Cela montre que le transfert horizontal de gènes est un moyen sous-estimé d’évolution rapide chez les animaux », a déclaré Rebecca Tarnopol, doctorante à l’UC Berkeley, première auteure de l’étude. Biologie actuelle papier. « Les gens apprécient le transfert horizontal de gènes comme l’un des principaux moteurs de l’adaptation rapide des microbes, mais on pensait que ces événements étaient très rares chez les animaux. Mais au moins chez les insectes, il semble qu’ils soient assez fréquents. »
Selon Whiteman, auteur principal de l’article, « l’étude montre que pour faire face au barrage de parasites qui développent continuellement de nouvelles façons de vaincre les défenses de l’hôte, une bonne stratégie pour les animaux consiste à emprunter des gènes à des gènes évoluant encore plus rapidement ». virus et bactéries, et c’est exactement ce que ces mouches ont fait. »
Flux génétique du virus aux bactéries pour voler
Whiteman étudie comment les insectes évoluent pour résister aux toxines produites par les plantes pour éviter d’être mangées. En 2023, il a publié un livre, « Most Delicious Poison », sur les toxines végétales que les humains apprécient, comme la caféine et la nicotine.
Une interaction plante-herbivore sur laquelle il se concentre est celle entre la mouche commune des fruits Scaptomyza flava et des plants de moutarde au goût aigre, comme les cressons qui poussent dans les ruisseaux du monde entier.
« Les larves, les stades immatures de la mouche, vivent dans les feuilles de la plante. Ce sont des mineuses des feuilles, elles laissent de petites traces dans les feuilles », a déclaré Whiteman. « Ce sont de véritables parasites de la plante et celle-ci essaie de les tuer avec ses produits chimiques spécialisés. Nous étudions cette course aux armements. »
Ce qu’il a appris, cependant, s’applique probablement à de nombreux autres insectes, parmi les herbivores les plus prospères de la planète.
« Ce sont de petites mouches obscures, mais si vous pensez au fait que la moitié de toutes les espèces d’insectes vivantes sont des herbivores, c’est une histoire de vie très populaire. Comprendre son évolution est vraiment important pour comprendre l’évolution en général en termes de succès des herbivores. le sont », a-t-il déclaré.
Il y a plusieurs années, après avoir séquencé le génome de la mouche à la recherche de gènes lui permettant de résister aux toxines de la moutarde, il a découvert un gène inhabituel dont il a appris qu’il était répandu chez les bactéries. Une recherche dans des séquences génomiques publiées antérieurement a révélé le même gène chez une mouche apparentée, Drosophile ananasséeainsi que chez une bactérie qui vit à l’intérieur d’un puceron. Les chercheurs étudiant le puceron ont découvert une histoire complexe : le gène provient en fait d’un virus bactérien, ou bactériophage, qui infecte les bactéries qui vivent à l’intérieur du puceron. Le gène du bactériophage, exprimé par la bactérie, rend le puceron résistant à une guêpe parasite qui le ravage.
Ces guêpes pondent leurs œufs à l’intérieur des larves, ou asticots, et y restent jusqu’à ce que les larves se transforment en pupes immobiles, moment auquel les œufs de guêpe mûrissent en larves de guêpes qui consomment la pupe de mouche, pour finalement émerger comme adultes.
Lorsque Tarnopol a utilisé pour la première fois l’édition génétique pour exprimer le gène de la toxine dans toutes les cellules de D. melanogaster, toutes les mouches sont mortes. Mais lorsque Tarnopol a exprimé le gène uniquement dans certaines cellules immunitaires, la mouche est devenue aussi résistante aux parasites que sa cousine, D. ananassae.
Whiteman, Tarnopol et leurs collègues ont découvert par la suite que le gène présent dans le génome de D. ananassae – ; une fusion entre deux gènes de toxines, toxine de distension cytolétale B (cdtB) et protéine induisant l’apoptose de 56 kDa (aip56), que les chercheurs ont appelé fusionB – ; code pour une enzyme qui coupe l’ADN.
Pour découvrir comment cette nucléase est capable de tuer un œuf de guêpe, les chercheurs de l’UC Berkeley ont contacté István Andó de l’Institut de génétique du Centre de recherche biologique HUN-REN à Szeged, en Hongrie, qui avait précédemment montré que ces mêmes mouches avaient un défense cellulaire contre les œufs de guêpe qui sépare essentiellement les œufs du corps de la mouche et les tue. Andó et ses collègues de laboratoire ont créé des anticorps contre la toxine qui leur ont permis de la suivre à travers le corps de la mouche et ont découvert que la nucléase inondait essentiellement le corps de la mouche pour entourer et tuer l’œuf.
« Nous avons découvert cet immense monde inexploité de facteurs immunitaires humoraux qui pourraient jouer un rôle dans le système immunitaire des invertébrés », a déclaré Tarnopol. « Notre article est l’un des premiers à montrer, au moins chez la drosophile, que ce type de réponse immunitaire pourrait être un mécanisme courant par lequel les ennemis naturels comme les guêpes et les nématodes sont combattus. Ils sont de nature bien plus mortelles que certains d’entre eux. les infections microbiennes avec lesquelles la plupart des gens travaillent.
Whiteman et ses collègues explorent toujours la complexité de ces interactions entre mouches et guêpes, ainsi que les changements cellulaires et génétiques qui ont permis aux mouches de synthétiser une toxine sans se tuer.
« Si le gène est exprimé dans le mauvais tissu, la mouche va mourir. Ce gène ne se propagera jamais à travers les populations par sélection naturelle », a déclaré Whiteman. « Mais s’il atterrit à un endroit du génome proche d’un amplificateur ou d’un composant régulateur qui l’exprime un peu dans les tissus adipeux, alors vous pouvez voir comment il peut faire avancer cette jambe très rapidement, vous obtenez cet avantage incroyable. «
Le transfert horizontal de gènes dans n’importe quel organisme poserait des problèmes similaires, a-t-il déclaré, mais dans la course aux armements entre prédateurs et proies, cela en vaut peut-être la peine.
« Quand on est une pauvre petite mouche des fruits, comment faire face à ces pathogènes et parasites qui évoluent rapidement pour profiter de nous ? » dit-il. « Une solution consiste à emprunter des gènes à des bactéries et à des virus parce qu’ils évoluent rapidement. C’est une stratégie ingénieuse : au lieu d’attendre que vos propres gènes vous aident, prenez-les d’autres organismes qui évoluent plus rapidement qu’eux-mêmes. Et cela semble s’être produit plusieurs fois indépendamment chez les insectes, étant donné que tant d’insectes différents ont adopté ce gène. Cela nous donne une image d’un nouveau type de dynamisme qui se produit même chez les animaux qui n’ont qu’un système immunitaire inné et qui n’en ont pas. avoir une immunité adaptative.
Le travail de Whiteman a été financé par l’Institut national des sciences médicales générales des National Institutes of Health (R35GM119816). Les autres co-auteurs de l’article sont Josephine Tamsil, Ji Heon Ha, Kirsten Verster et Susan Bernstein de l’UC Berkeley, Gyöngyi Cinege, Edit Ábrahám, Lilla B. Magyar et Zoltán Lipinszki de Hongrie et Bernard Kim de l’Université de Stanford.
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