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Janine Beisson

De la génétique des champignons à celle

des paramécies (mars 2001)

 
Janine Beisson
DR
 

Comment êtes vous venue à la recherche madame Beisson?
Lorsque j'étais en terminale au Lycée Fénelon à Paris, mon idée était de faire des études littéraires et c'est ma prof de sciences naturelles, mme Possompès (la femme du collaborateur de GerogesTeissier) qui m'a poussée vers ces disciplines. Cela m'a d'ailleurs conduit à faire une math'élem après la philo! J'avais déjà quelques contacts avec la recherche, quand j'étais gamine ma mère m'emmenait voir sa soeur (ma tante) Nine Chouckroun dans son laboratoire de l'Institut de biologie physico-chimique (IBPC). En 1950, je me suis inscrite à la Fac de science pour étudier la biochimie et la biologie générale. Là, j'ai eu des professeurs aussi distingués que C. Fromageot, J. Oussert, P. L'Héritier ou B. Ephrussi et j'ai passé ma licence en 1953. Ainsi, j'ai préparé un certificat de génétique lorsque Boris Ephrussi m'a proposé de venir dans son laboratoire de l'IBPC. La lecture d'un article paru dans Scientific American sur la transformation de l'ADN m'avait donné l'idée de travailler avec Hariett Taylor-Ephrussi, sa femme. Mais Hariett ne voulait pas de chercheurs débutants et Ephrussi m'a envoyé chez Georges Rizet, son maître de conférence.

La génétique cytoplasmique
Le laboratoire de génétique physiologique de l'IBPC était dirigé par Boris Ephrussi qui était en train de découvrir avec Piotr Slonimski une génétique non chromosomique chez la levure. Le point remarquable de l'histoire est que, tandis qu'Ephrussi et Slonimski découvraient cette hérédité non-chromosomique, Georges Rizet  mettait en évidence des phénomènes de même nature chez les champignons, à savoir des anomalies de ségrégation non-mendélienne. Il existait un certain nombre de phénomènes semblables chez les végétaux, la drosophile (le caractère Sigma découvert par Philippe L'Héritier), la levure, les champignons...  Mais parce qu'elle échappait aux lois de Mendel, cette génétique apparaissait un peu à côté du grand courant de la génétique chromosomique. Cela signifie que les généticiens se trouvaient confrontés à des phénomènes héréditaires dont on ne comprenait pas la nature, des phénomènes localisés dans le cytoplasme de la cellule et qui étaient (ou n'étaient pas) autonomes par rapport aux gènes nucléaires (chromosomiques). Donc ils les analysaient par tous les moyens disponibles à l'époque : croisements, mélanges de cytoplasmes, changements de température et c'est ainsi qu'au milieu des années 1950, une cinquantaine de chercheurs dans le monde s'intéressaient à ces bizarreries, un peu en marge de la génétique mendélienne. Ils voulaient étudier le mode d'action des gènes, mais ils étaient tombés sur des phénomènes non mendéliens ce qui rendait les choses un peu compliquées. Or, parce que ces généticiens étaient de fins observateurs, des esprits curieux et rigoureux, ils voulaient comprendre et au lieu de changer de sujet, ils ont choisi de persévérer... Et ils ont eu raison. Cinquante ans plus tard cette génétique cytoplasmique continue d'alimenter nos connaissances!

Les mécanismes de la génétique
A l'époque, il y avait diverses hypothèses pour expliquer les mécanismes génétiques. Par exemple Max Delbrück, un physicien célèbre qui s'était mis à la biologie avait émis l'hypothèse des équilibres de flux. C'est à dire d'états métaboliques alternatifs avec des interactions croisées.  On pouvait donc rencontrer, disait-il, des états alternatifs stables sans changer des gènes et obtenir des caractères différents, opposés, associés à un même génotype. Certes, depuis les travaux d'Oswald Avery à l'Institut Rockefeller (Hariett Taylor avait été son assistante) on supputait que l'ADN était le support du message génétique (le phénomène de la transformation), mais les chimistes le concevaient comme une succession de motifs répétitifs tous identiques, un poly-tétranucléotide. Ils ne pouvaient imaginer comment la spécificité structurelle des protéines pouvait venir d'un acide nucléique beaucoup plus simple. Mais à partir de 1953, le fameux article de Watson et Crick, la compréhension de la structure en double hélice de l'ADN a tout illuminé, en particulier elle a débouché sur la notion de séquence et donc, à terme, sur le code génétique.
Il y a de l'ADN dans toutes les cellules et en particulier dans les chromosomes des eucaryotes, mais pas uniquement. En 1963, lors d'un congrès de génétique à Amsterdam j'ai entendu la première annonce d'ADN dans les chloroplastes des cellules végétales. Tout de suite après est arrivé l'ADN mitochondrial, notamment chez la levure. Cet ADN mitochondrial est à l'intérieur du cytoplasme cellulaire, comme l'ADN des bactéries, et ses brins sont 'pelotonnés' dans une mitochondrie. En analysant les mitochondries, il s'est avéré in fineque la quasi-totalité de ces phénomènes s'expliquaient par l'action d'un ADN extra-nucléaire, un acide nucléique  pour le sida,  un ADN dans les chloroplastes ou dans les mitochondries pour les mutants de la levure ou des champignons, etc. Chez les paramécies, l'Américain pionnier dans la génétique de ces organismes, Tracy Sonneborn, parlait d'un plasmagène, puis d'un virus Kappa, mais formellement il s'agissait d' un gène cytoplasmique (on a finalement compris qu'il s'agissait de l'inclusion d'un virus incapable de se reproduire à l'extérieur de la cellule). Comme l'ADN était omniprésent dans les cellules, l'idée a donc prévalu que chez tous les êtres vivants les lois fondamentales, les mécaniques de base de la génétique étaient les mêmes.

Comment choisissait-on un modèle expérimental chez les généticiens?
On peut dire que dans les années 1950 tous les organismes modèles (drosophiles, champignons, bactéries,etc.) étaient considérés comme aussi nobles les uns que les autres, donc autant susceptibles d'apporter des connaissances de valeur universelle. On était moins 'bêcheur' (si j'ose dire) qu'on ne l'est devenu par la suite. Tous les généticiens pensaient que l'important était de travailler sur l'organisme qui permettait de trouver l'explication particulière de tel ou tel phénomène. Cette qualité d'ouverture a commencé à s'estomper il vingt cinq ans lorsqu'on a vu se développer la recherche sur les eucaryotes supérieurs (l'homme, la souris), par des gens qui ont commencé à considérer tout le reste avec condescendance...
Cette évolution est particulièrement frappante lorsqu'on considère la manière dont fonctionnent actuellement les grandes bases de données scientifiques. Je travaille aujourd'hui sur les paramécies et il se trouve qu'il y a quelques mois j'ai aidé à préparer un numéro spécial d'une revue française (Biology of the Cell) consacrée aux centrosomes. Or curieusement, la référence de mon papier ne figure pas dans la base américaine 'Biomed'... Pourquoi? Celle-ci sélectionne parait-il les articles de la revue française. 'Biomed' estime t-il que les paramécies sont moins importantes que le reste? Je m'interroge... Bien entendu, les choses ont bien changé par rapport à mes débuts, au moins sur le plan quantitatif. A l'époque, la communauté était si petite que les échanges se faisaient sur un pied d'égalité entre chercheurs seniors et petits jeunes. Je me souviens qu'on m'avait envoyée à mon premier congrès de génétique, en 1958 à Montréal, alors que je n'étais qu'une débutante qui racontait ses histoires de champignons, mais dans l'auditoire il y avait les stars de la génétique moléculaire dans le monde...

Quelles sont les caractéristiques de cette génétique cytoplasmique?
Lorsqu'on fait des croisements, les règles mendéliennes permettent de prévoir des proportions définies dans la descendance. C'est ce qui permet de dire que le gène se comporte comme une entité localisée sur les chromosomes puisque chez l'homme comme chez le champignon, le croisement résulte de la fécondation d'une grosse cellule pleine de cytoplasme (un ovocyte) par une micro cellule qui n'apporte que son noyau (un spermatozoïde). Donc tout ce qui est apporté dans le produit du croisement par le cytoplasme vient de la mère. Ainsi pour un généticien, dire cytoplasmique ou maternel, c'est la même chose. Dans le cas du champignon, c'était pareil. Le croisement est  anisogame, ce qui signifie que les deux gamètes sont inégaux, l'un apporte la matière vivante pour le début du développement, l'autre seulement son noyau. L'intérêt des champignons est qu'on peut faire les deux croisements réciproques. Vous avez une souche A et une souche B. Chaque souche produit des organes femelles et des organes mâles. Vous pouvez donc avoir la mère A par le mâle B et la mère B par le mâle A. Le cas échéant, si le caractère  phénotypique est mendélien, on ne voit aucune différence entre les deux. Au contraire, s'il y a des différences cela signifie que les caractère  ne sont pas mendéliens parce que transmis par la mère.

Georges Rizet et les Ascomycètes
Quand je suis arrivé chez lui en 1953, Georges Rizet travaillait sur les Ascomycètes (Podospora anserina)  des tout petits champignons (moisissures) qu'on cultive sur un semis; on obtient un micellium qui s'étale sur une boîte de Petri. Podospora a donc une sexualité, on peut le croiser et faire de la génétique assez sophistiquée grâce à ses ascospores qui sont le produit d'une méiose (on peut donc analyser tous les événements de la méiose en regardant bien les asques). Rizet avait découvert que si on repique une souche d'Ascomycète, au bout d'un certain temps le champignon refuse de pousser. Donc que pour une souche donnée (un génotype spécifique), on pouvait définir une longévité donnée : si on mesure en longueur linéaire la croissance du champignon, celle-ci atteindra dix centimètres par exemple puis elle mourra, quoi que vous fassiez. Si toutes les souches ont la même longévité cela signifie que sa détermination est génétique, que la senescence de cet organisme est inscrite dans ses gènes. A la suite de nombreux croisements, Rizet s'est aperçu que la senescence de Podospora était transmise par le cytoplasme et non par le noyau (Denise Marco a fait sa thèse sur ce sujet) puis ce phénomène a été repris par Léon Belcourt qui a montré qu'il s'agissait d'une affaire de génome mitochondrial.

Le phénomène de barrage
Le phénomène du barrage a aussi été découvert par Georges Rizet. Les ascomycètes appartiennent à la même espèce de champignons, mais il y a des races géographiques, comme chez les humains. Pour croiser ces races, on fait des semis dans une boîte de Petri où elles vont pousser l'une vers l'autre. En se rencontrant, elles vont s'aimer ou non ! Quand elles se rencontrent, leurs ramifications vont soit s'accoupler, soit donner une réaction de rejet . C'est ce phénomène d'incompatibilité que Rizet a mis en évidence. Il a découvert que certaines de ses souches mouraient quand leur cytoplasme se rencontrait ce qui résultait d'une incompatibilité sexuelle révélée par l'absence de croisement ou par un croisement univoque. Il a appelé ce phénomène le barrage. Sur la ligne de rencontre, il se forme un bourrelet et les cellules meurent.
Rizet s'est alors intéressé à diverse souches de Polyspora pour réaliser une approche de génétique de populations. Il est allé dans la nature récolter ces champignons afin de comprendre ce que signifiaient ces barrages à l'échelle naturelle et c'est ainsi qu'il a identifié un certain nombre de gènes nucléaires responsable de la compatibilité ou de l'incompatibilité des souches. Il a montré qu'une différence entre deux allèles (deux formes d'un même gène, l'un portant l'allèle A, l'autre l'allèle a) suffisait à déclencher le phénomène. Les deux souches qu'il a appelées S et s présentaient une incompatibilité, l'une portait le gène S et l'autre l'allèle du gène sous la forme s. C'est sur le phénomène de barrage que j'ai soutenu ma thèse en 1962. Au début, Rizet m'avait imposé le sujet, mais je m'y suis très vite intéressée pour ne pas dire qu'il m'a rapidement passionnée.
J'ai essayé de comprendre quelle était la nature de la différence entre ces deux états alléliques et j'ai bati des hypothèses. L'une était qu'on se trouvait face à une particule auto-reproductive, autonome et infectieuse, comme un virus, ce qui s'est avéré erroné. Mais j'en avais une autre. Comme j'avais mis au point des techniques de micromanipulation qui permettaient d'identifier les propriétés respectives du noyau et du cytoplasme, mes résultats ont permis d'expliquer l'hérédité maternelle des deux états cytoplasmiques (s et S) pour proposer l'action d'un mécanisme fondé sur le caractère auto-inductible du gène 's'. C'est à dire que celui-ci expliquait la variation d'un caractère héréditaire sans changement de la spécificité d'un gène. Plus tard, cette recherche a été reprise par Bégueret à Bordeaux  qui a cloné les gènes de S et s chez polyspora  pour montrer que dans l'état s modifié, le produit du gène était là. Autrement dit, il y avait deux états, deux conformations moléculaires, du même produit du gène.

C'est-à-dire la même protéine, mais sous forme de prion ?
Tout juste, autrement dit ce système est un exemple des molécules de type prion. Ainsi, ma satisfaction est d'avoir passé sept ans de ma vie à travailler sur un problème qui a abouti à montrer qu'une molécule peut avoir de manière stable deux conformations dont l'une est infectieuse et l'autre pas. On a deux phénotypes cellulaires stables, maternellement héréditaires, liés à deux conformations spécifiques (protéine 'normale' ou 'prion') du même génotype . A coté du prion, il y a deux protéines qui peuvent exister sous deux conformations dont l'une est infectieuse pour l'autre et qui peuvent se maintenir soit sous la formation 'a', soit sous une forme 'b'. Pendant longtemps on a pensé que la séquence du gène déterminait la séquence primaire de la protéine et qu'une fois que cela était fait, tout était joué. On sait que monsieur Chris Anfisen  a eu le prix Nobel (chimie 1972) pour avoir démontré dans le cas de l'insuline que si on dénature la protéine, c'est-à-dire si on lui retire sa structure tridimensionnelle, elle la réacquiert spontanément; ce n'est pas faux, mais on s'aperçoit en plus qu'il n'y a pas une seule conformation termodynamiquement stable pour les protéines, mais au contraire que suivant les conditions elles peuvent avoir telle ou telle conformation.

En post-doc chez Tracy Sonneborn
On sait qu'une cellule est un objet très complexe, architecturé, structuré de manière qu'on ne saurait fabriquer de novo. Cela veut dire qu'une cellule contient les différents éléments nécessaires à sa duplication. C'est ainsi qu'après avoir soutenu ma thèse, j'ai décidé de m'intéresser à ce qui dans l'hérédité cellulaire ne venait pas directement des gènes. J'avais lu dans Genetics, un abstract dans lequel Tracy Sonneborn expliquait comment il avait fabriqué des doublés de paramécies. Les paramécies sont des protozoaires de grande taille porteurs de cils vibratiles. Elles ont une architecture très complexe, avec une carapace, plein de cils (on pourrait même dire que c'est une bête avec un ventre, un dos, des bras, des oreilles etc). Donc Sonneborn avait obtenu des paramécies doubles qui, de plus, pouvaient se reproduire. J'en avais conclu que le fait díavoir une structure agencée de telle ou telle manière n'était pas important pour les gènes de la paramécie, ce qui comptait, était leur état d'organisation à un instant 't 0'. Je suis donc aller passer un an comme post doc chez lui à l'Université d'Indiana à Bloomington pout étudier l'hérédité corticale des paramécies.

Janine Besson (à dr.) dans le laboratoire de Tracy Sonneborn (en haut à gauche) à l'université d'Indiana à Bloomington (DR)

L'architecture de la paramécie est caractérisée par l'organisation des raies corticales : leur cellule est faite de rangées de cils qui vont d'un pôle de la cellule à l'autre et sont polarisées dans le même sens. Je voulais voir si la cellule se reproduirait avec un nouveau schéma si je réussissais à changer le sens de ces raies. Sonneborn m'a donné carte blanche et grâce à des opérations micro chirurgicales, j'ai pu effectuer des greffes de cortex où la polarité était inversée de 180°. C'est ainsi qu'à la suite de mes manips de micro-greffes et après croisement de mes paramécies 'opérées', j'ai pu constater que mon architecture en rangées inversées pouvaient se conserver pendant des centaines de générations.

C'est ainsi que vous avez mis en lumière un phénomène d'hérédité structurale...
Pourquoi dans la paramécie sauvage les cils étaient ils tous orientés dans le même sens ? Si on raisonne en termes d'évolution darwinienne, on dira que la polarité des corps basaux est sélectionnée dans le sens où la paramécie nage. Mais si on retourne ceux-ci, comme je l'avais fait chez Sonneborn, on constate que celle-ci va se reproduire en transmettant une nouvelle polarité. Cette transmissibilité de caractères acquis s'explique parce que  les corps ciliaires des paramécies présentent un ensemble de propriétés extraordinaires d'auto reproduction et de polarisation transmises par le processus même de la duplication cellulaire. Les cils sont des microtubules, des protéines, qui ont besoin pour pouvoir s'assembler de structures de type centriole . Ces protéines tubulaires polarisent donc leur environnement pour permettre l'assemblage des microtubules (à chaque cycle cellulaire, elles ne se dupliquent que s'il y a un centriole pré existant à proximité). C'est comme pour l'ADN où il faut un chromosome pour faire un autre chromosome, mais là il n'y a pas d'ADN puisqu'il s'agit d'acides aminés et comme cette petite structure centriolaire dépourvue d'acides nucléiques est dotée de capacités d'auto reproduction, on parle d'une hérédité de structure, une sorte d'énigme de la nature.
Si j'élargis la question de cette génétique non nucléique, je dirais que dans une cellule  il y a beaucoup de choses qu'on ne peut  pas fabriquer sans avoir une matrice d'origine. Une cellule fille ne peut pas faire de mitochondries si une cellule mère n'en possède pas. Tous les compartiments membranaires infra cellulaires sont fabriqués de cette façon. De même avec les chromosomes, si on perd un chromosome en gardant l'ADN qui est dessus,  celui-ci ne pourra pas reconstruire le chromosome. Certes, un gène s'exprime quand on le transcrit, il n'a pas besoin d'être sur un chromosome, mais pour être dupliqué et transmis de manière stable, il doit être installé sur une structure compliquée et auto-reproductible. Un chromosome est donc une succession de gènes accrochés sur une matrice protéique qui, pour se pérenniser au cours des divisions cellulaires,  a besoin de toute une machinerie protéique qui relève de cette génétique structurale.

Enseignante à Orsay
Quand je suis revenue de Bloomington, j'ai parlé de ces travaux à une réunion de notre Société de génétique. La lumière ne s'est allumée que dans quelques regards, de distingués professeurs (Jean Génermont) ne semblaient guère s'intéresser aux paramécies, mais ce n'était pas le cas d'Ephrussi, de Slonimski ou de Rizet dont la curiosité était piquée par cette hérédité structurale. Ce dernier avait d'ailleurs quelque mérite car j'avais abandonné son modèle (les champignons) pour adopter celui de Sonneborn. Quand je suis revenue chez lui, Rizet m'a interrogé sur mes projets et je lui ai expliqué que j'aimerais continuersur la paramécie. Il était un peu contrarié, j'étais resté sept ans avec lui alors que je n'avais passé qu'un an chez Sonneborn ! Mais il avait l'esprit large (Georges Rizet est quelqu'un pour lequel j'ai gardé la plus vive estime intellectuelle) et il a finalement accepté de me laisser mes paramécies. En 1964, lorsqu'il a été nommé professeur à Orsay, toute son équipe l'a suivie et je suis donc devenue chargée de cours en génétique physiologique (second cycle) à Orsay. Il ne m'a imposé qu'une seule contrainte, lorsque j'ai eu mon premier étudiant de troisième cycle (Y. Capdeville), celle de ne pas la mettre sur la paramécie...

Le département 'génétique des fonctions cellulaires' au CGM...
En 1972, alors que j'étais à Orsay, Boris Ephrussi à la veille de prendre sa retraite a suggéré qu'on m'appelle au CNRS à Gif sur Yvette pour pour prendre sa succession dans son département du Centre de génétique moléculaire. Bien sur, Ephrussi  avait suivi  mes travaux sur l'hérédité structurale avec quelque intérêt, mais je crois que sa demande était aussi motivée parcequ'il me considérait comme quelqu'un de gentil (i.e. apte à maintenir le statu quo dans sa section de génétique des fonctions cellulaires où continuait de travailler sa collaboratrice Mary Weiss). Piotr Slonimski a soutenu cette proposition d'autant qu'il s'agissait de continuer à spécialiser cette génétique non-chromosomique qui faisait la réputation du CGM. De plus, Piotr savait que, comme lui, je n'hésitais pas à mettre la main à la pâte. Je suis donc venue à Gif avec mes 'élèves' d'Orsay : André Adoutte qui faisait de la génétique mitochondriale,Yvonne Capdeville qui étudiait les variations antigéniques des protéines de surface, Annie Sainsard, François Ruiz et Yves Brygoo les interactions nucléo-mitochondriales... Et c'est ainsi que nous avons continué à travailler sur la paramécie, mais aussi sur le Podospora. Grâce à la Paramécie, nous avons continué sur la génétique mitochondriale avec la démonstration (hérétique!) de l'absence de recombinaison intermitochondriale. Nous avons pu distinguer la cytogénétique des mutations qui affectent la morphogénèse cellulaire et la duplication des corps basaux des mutations qui touchent la biogénèse des trichocystes.

...donc de revenir aux prions
Plus récemment, la purification d'un réseau cytosquelettique cortical a permis d'aborder les mécanismes moléculaires et cellulaires de son assemblage. Par exemple, l'essor du modèle Paramécie a permis à André Adoutte de développer la phylogénie moléculaire des ciliés, il a aussi permis de poursuivre la recherche sur la morphogenèse et sur l'hérédité de structure. C'est à dire que la possibilité de purifier un réseau cytosquelettique cortical a donné les conditions d'une étude comparée, à la fois in vivo et in vitro, de l'assemblage d'une structure supra-moléculaire très complexe de type prion. Et comme de nouvelles approches expérimentales sont désormais possibles grâce aux biotechnologies, nous avons décidé de revenir à cette fameuse énigme de la biologie que représente la duplication des structures centriolaires caractéristique de l'hérédité structurale. La possibilité de cloner des gènes par complémentation permettra peut être de caractériser les gènes impliqués dans ce processus; une hypothèse, récemment proposée par Jean-Pierre Mignot, suggère l'existence d'une continuité matricielle chez la paramécie qui permettrait d'élucider la capacité d'autoreproduction d'un édifice protéique.

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© Illustrations : CNRS images - Conception graphique : Karine Gay