Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

La vie telle que nous la connaissons repose sur une division fondamentale entre deux types de cellules. L'un, présent chez les bactéries et les archées, est simple et dépourvu de compartiments internes. L'autre, présent chez les plantes, les animaux et les champignons, est complexe, rempli de pièces distinctes comme le noyau et les mitochondries productrices d'énergie. Depuis des décennies, les scientifiques se demandent comment cette cellule complexe, avec son système de transport interne si intrincat, a pu émerger pour la première fois d'un ancêtre plus simple. Un indice majeur réside dans la machinerie qui déplace les matériaux entre ces pièces internes. Dans les cellules complexes, de minuscules bulles appelées vésicules transportent des cargaisons d'un endroit à un autre, fusionnant avec les membranes cibles pour livrer leur chargement. Cette fusion est pilotée par un ensemble spécifique de protéines qui agissent comme des fermetures éclair moléculaires, tirant deux membranes l'une vers l'autre jusqu'à ce qu'elles fusionnent. Ces protéines, connues sous le nom de SNARE, sont essentielles à la vie des organismes complexes, mais leur origine évolutive est restée un mystère. Cette machinerie sophistiquée est-elle apparue soudainement avec la première cellule complexe, ou a-t-elle évolué à partir d'un système plus simple qui existait chez nos ancêtres anciens ?

Pour répondre à cela, les chercheurs ont porté leur attention sur un groupe d'organismes microscopiques appelés archées Asgard. Découvertes relativement récemment grâce à l'analyse génétique de sédiments océaniques, ces organismes unicellulaires sont les parents les plus proches connus des ancêtres de la vie complexe. Certaines espèces au sein de ce groupe, spécifiquement celles appelées Heimdallarchaeota, se sont révélées posséder des gènes qui ressemblent étrangement à ceux utilisés par les cellules complexes pour le transport interne. Parmi ces gènes figurent des instructions pour fabriquer des protéines qui ressemblent aux fermetures éclair SNARE. Cependant, posséder le plan génétique n'est pas la même chose que de prouver que la machine fonctionne. La question critique était de savoir si ces protéines anciennes pouvaient réellement s'assembler en les faisceaux stables à quatre brins requis pour fusionner les membranes, ou si elles n'étaient que des vestiges brisés d'un système qui n'a jamais fonctionné de la manière dont nous le voyons aujourd'hui.

Une équipe de scientifiques s'est donné pour mission de tester cela en isolant et en étudiant ces protéines SNARE de Heimdall en laboratoire. Ils se sont concentrés sur une protéine spécifique, qu'ils ont nommée HPS1, présente dans un organisme de Heimdallarchaeota. D'abord, ils ont purifié la protéine et examiné ses propriétés physiques. Ils ont découvert que la protéine était incroyablement stable, résistant à la chaleur et au stress chimique qui détruiraient la plupart des autres protéines. Lorsqu'ils ont analysé sa forme en solution, la protéine ne flottait pas comme un brin unique ; au contraire, elle se regroupait spontanément avec trois copies identiques d'elle-même pour former un faisceau serré à quatre brins. C'était une découverte significative car, dans les cellules complexes, le faisceau fonctionnel est composé de quatre types différents de protéines travaillant ensemble. Le fait que la version ancienne puisse former un faisceau stable en utilisant quatre copies identiques suggérait une version ancestrale plus simple de la machinerie.

Pour voir exactement comment ce faisceau était construit, les chercheurs ont fait croître des cristaux de la protéine et ont utilisé des rayons X pour cartographier sa structure atomique. L'image résultante a révélé une longue corde torsadée faite de quatre hélices identiques enroulées les unes autour des autres. Au centre même de ce faisceau se trouvait une couche spécifique où quatre groupes chimiques identiques, composés de l'acide aminé glutamine, se rejoignaient. Dans les cellules complexes, cette couche centrale est généralement formée par un mélange de différents groupes chimiques, créant une structure asymétrique qui est cruciale pour le processus de fusion. Les chercheurs ont constaté que le faisceau ancien était parfaitement symétrique, avec les quatre côtés se ressemblant exactement. Malgré cette symétrie, le cœur du faisceau était aussi étroitement et solidement compacté que les versions complexes trouvées dans les cellules humaines. Cela indiquait que l'architecture fondamentale du faisceau SNARE existait bien avant l'évolution des cellules complexes, provenant d'un système homogène à quatre parties identiques.

Les chercheurs ont ensuite utilisé des simulations informatiques pour explorer comment ce faisceau ancien pourrait se comporter par rapport à la version moderne. Ils ont testé si le simple remplacement d'un des quatre groupes de glutamine identiques par un groupe chimique différent, comme on le voit dans les cellules complexes, créerait immédiatement la structure asymétrique actuelle. Les simulations ont montré que ce simple échange ne fonctionnait pas ; le faisceau ne se réorganisait pas spontanément en la forme asymétrique complexe. Au lieu de cela, le design symétrique ancien restait stable de son côté. Cela suggère que la transition du système simple à quatre parties identiques vers le système complexe et spécialisé à quatre parties n'a pas été un changement rapide ou accidentel. Elle a probablement nécessité un processus évolutif plus long où les protéines ont changé et se sont spécialisées progressivement au fil du temps.

D'autres expériences ont montré que lorsque les chercheurs ont inséré la version complète de cette protéine ancienne dans des cellules humaines, elle voyageait avec succès vers le système de membrane interne de la cellule, spécifiquement le réticulum endoplasmique. Cela a démontré que la protéine ancienne était compatible avec la machinerie cellulaire de la vie complexe, capable de s'insérer dans les membranes et de trouver son chemin vers le bon emplacement. L'étude a également examiné l'histoire génétique de ces protéines, constatant qu'elles sont présentes dans diverses espèces d'Heimdellarchaeota mais absentes dans d'autres groupes apparentés. Cette distribution soutient l'idée que l'ancêtre de la vie complexe possédait probablement ce type spécifique de protéine SNARE avant de se séparer de ses cousins archéens.

Les résultats brossent un tableau clair de la manière dont la complexité cellulaire a pu apparaître. La machinerie essentielle pour déplacer les matériaux à l'intérieur d'une cellule n'est pas apparue de nulle part lors de la formation de la première cellule complexe. Au lieu de cela, elle a évolué à partir d'un système préexistant chez un ancêtre archéen ancien. Cet ancêtre possédait un faisceau protéique simple et symétrique qui pouvait former des structures stables. Sur des millions d'années, cet outil de base a été dupliqué et modifié, donnant finalement naissance à l'ensemble diversifié et spécialisé de protéines qui dirigent les systèmes de transport interne complexes des plantes et des animaux modernes. L'étude confirme que les racines profondes de notre complexité cellulaire résident dans le monde ancien et symétrique des archées, où les premiers pas vers la machinerie complexe de la vie ont été faits bien avant l'existence même de la première cellule complexe.