Décryptage de la biologie de Mycobacterium tuberculosis à partir de la séquence complète du génome
Résumé
D’innombrables millions de personnes sont mortes de la tuberculose, une maladie infectieuse chronique causée par le bacille tuberculeux. La séquence complète du génome de la souche la mieux caractérisée de Mycobacterium tuberculosis, H37Rv, a été déterminée et analysée afin d’améliorer notre compréhension de la biologie de ce pathogène à croissance lente et d’aider à la conception de nouvelles interventions prophylactiques et thérapeutiques. Le génome comprend 4 411 529 paires de bases, contient environ 4 000 gènes et présente une teneur très élevée en guanine + cytosine qui se reflète dans le contenu en acides aminés biaisé des protéines. M. tuberculosis se distingue radicalement des autres bactéries par le fait qu’une très grande partie de sa capacité de codage est consacrée à la production d’enzymes impliquées dans la lipogenèse et la lipolyse, et à deux nouvelles familles de protéines riches en glycine dont la structure répétitive pourrait représenter une source de variation antigénique.
Principal
Malgré la disponibilité d’une chimiothérapie efficace de courte durée (DOTS) et du vaccin Bacille Calmette-Guérin (BCG), le bacille tuberculeux continue de faire plus de victimes que tout autre agent infectieux. Ces dernières années ont été marquées par une augmentation de l’incidence de la tuberculose dans les pays en développement et industrialisés, par l’émergence généralisée de souches résistantes aux médicaments et par une synergie mortelle avec le virus de l’immunodéficience humaine (VIH). En 1993, la gravité de la situation a conduit l’Organisation mondiale de la santé (OMS) à déclarer la tuberculose comme une urgence mondiale afin de sensibiliser le public et les politiques. Des mesures radicales sont aujourd’hui nécessaires pour éviter que les sombres prédictions de l’OMS ne deviennent réalité. La combinaison de la génomique et de la bio-informatique a le potentiel de générer les informations et les connaissances qui permettront la conception et le développement de nouvelles thérapies et interventions nécessaires pour traiter cette maladie aérienne et pour élucider la biologie inhabituelle de son agent étiologique, Mycobacterium tuberculosis.
Le bacille tuberculeux se caractérise par sa croissance lente, sa dormance, son enveloppe cellulaire complexe, sa pathogénie intracellulaire et son homogénéité génétique. Le temps de génération de M. tuberculosis, en milieu synthétique ou chez les animaux infectés, est généralement de ∼24 heures. Cela contribue à la nature chronique de la maladie, impose des régimes de traitement longs et représente un obstacle redoutable pour les chercheurs. L’état de dormance dans lequel le bacille reste quiescent dans les tissus infectés peut refléter un arrêt métabolique résultant de l’action d’une réponse immunitaire à médiation cellulaire qui peut contenir mais pas éradiquer l’infection. Lorsque l’immunité faiblit, en raison du vieillissement ou de l’immunodépression, les bactéries dormantes se réactivent, provoquant une flambée de la maladie, souvent plusieurs décennies après l’infection initiale. La base moléculaire de la dormance et de la réactivation reste obscure, mais on pense qu’elle est génétiquement programmée et qu’elle implique des voies de signalisation intracellulaires.
L’enveloppe cellulaire de M. tuberculosis, une bactérie à Gram positif dont le génome est riche en G + C, contient une couche supplémentaire au-delà du peptidoglycane, exceptionnellement riche en lipides, glycolipides et polysaccharides inhabituels. De nouvelles voies de biosynthèse génèrent des composants de la paroi cellulaire tels que les acides mycoliques, l’acide mycocérosique, le phénolthiocérol, le lipoarabinomannane et l’arabinogalactane, et plusieurs d’entre eux peuvent contribuer à la longévité des mycobactéries, déclencher des réactions inflammatoires de l’hôte et agir dans la pathogenèse. On sait peu de choses sur les mécanismes impliqués dans la vie au sein du macrophage, ou sur l’étendue et la nature des facteurs de virulence produits par le bacille et leur contribution à la maladie.
On pense que le progéniteur du complexe M. tuberculosis, comprenant M. tuberculosis, M. bovis, M. bovis BCG, M. africanum et M. microti, est issu d’une bactérie du sol et que le bacille humain a pu être dérivé de la forme bovine après la domestication du bétail. Le complexe manque de diversité génétique entre les souches, et les changements de nucléotides sont très rares. Ceci est important en termes d’immunité et de développement de vaccins car la plupart des protéines seront identiques dans toutes les souches et la dérive antigénique sera donc limitée. Sur la base de l’analyse systématique de la séquence de 26 loci dans un grand nombre d’isolats indépendants, il a été conclu que le génome de M. tuberculosis est soit exceptionnellement inerte, soit que l’organisme est relativement jeune en termes d’évolution.
Depuis son isolement en 1905, la souche H37Rv de M. tuberculosis a été largement utilisée dans le monde entier pour la recherche biomédicale, car elle a conservé toute sa virulence dans les modèles animaux de tuberculose, contrairement à certains isolats cliniques ; elle est également sensible aux médicaments et se prête à la manipulation génétique. Une carte intégrée du chromosome circulaire de 4,4 mégabase (Mb) de ce pathogène à croissance lente avait été établie précédemment et des bibliothèques commandées de cosmides et de chromosomes artificiels bactériens (BAC) étaient disponibles.Organisation et séquence du génome
Analyse des séquences. Pour obtenir la séquence contiguë du génome, on a utilisé une approche combinée qui comprenait l’analyse systématique de la séquence de clones à grande insertion sélectionnés (cosmides et BACs) ainsi que de clones à petite insertion aléatoires provenant d’une bibliothèque de tir du génome entier. Cette analyse a abouti à une séquence composite de 4 411 529 paires de bases (pb) (Figures 1 et 2 (Fichier PDF : 890K)), avec un contenu G + C de 65,6%. Cela représente la deuxième plus grande séquence de génome bactérien actuellement disponible (après celle d’Escherichia coli).
Le codon d’initiation du gène ADN A, caractéristique de l’origine de réplication, oriC, a été choisi comme point de départ de la numérotation. Le génome est riche en ADN répétitif, en particulier en séquences d’insertion, ainsi qu’en nouvelles familles multigéniques et en gènes domestiques dupliqués. La teneur en G + C est relativement constante dans tout le génome (Fig. 1), ce qui indique que les îlots de pathogénicité transférés horizontalement et présentant une composition de bases atypique sont probablement absents. Plusieurs régions présentant un contenu G + C supérieur à la moyenne (Fig. 1) ont été détectées ; elles correspondent à des séquences appartenant à une grande famille de gènes qui comprend les séquences polymorphes riches en G + C (PGRS).
Tuberculose : les scientifiques ont retrouvé ses origines
La tuberculose, l’une des principales maladies infectieuses connues, a maintenant une histoire mieux définie. La bactérie Mycobacterium tuberculosis, grande responsable de ce fléau, descendrait d’une souche plus ancienne qui s’est limitée à l’Afrique de l’Est. Depuis, elle a gagné en virulence et en persistance, ce qui fait d’elle l’une des grandes menaces mondiales.
En France, on recense environ 5.000 nouveaux cas et 650 décès chaque année. L’Île-de-France est par ailleurs deux à quatre fois plus touchée que le reste du territoire. Parmi les sous-espèces de bacilles tuberculeux capables de provoquer la tuberculose chez l’Homme, la plus répandue et la plus pathogène est de loin M. tuberculosis (les personnes au système immunitaire fragile demeurant les plus vulnérables).
- tuberculosis, souche plus virulente que M. canettii
Les équipes de Roland Brosch (à l’Institut Pasteur de Paris) et de Philip Supply (à l’Institut Pasteur de Lille) sont parvenues à retracer l’histoire évolutive de M. tuberculosis. Leur étude, publiée dans Nature Genetics, a permis de confirmer l’hypothèse de précédents travaux suggérant que les souches de la bactérie, génétiquement très conservées, sont issues d’une branche évolutive commune aux souches de M. canettii.
Ces dernières, qui entraînent également la tuberculose, présentent une très large diversité génétique. Certaines caractéristiques de leurs génomes indiquent même qu’elles sont d’une origine beaucoup plus ancienne. Les scientifiques fournissent également des indications possibles sur les facteurs qui ont contribué au succès évolutif de M. tuberculosis. Cette bactérie a effectivement fait de la tuberculose une pandémie mondiale, alors que les souches de M. canettii sont restées majoritairement cantonnées dans les régions de l’est de l’Afrique.
L’équipe de chercheurs suggère notamment que les souches de M. tuberculosis ont acquis leur virulence et leur persistance par une combinaison de plusieurs mécanismes génétiques, parmi lesquels une perte de fonction de certains gènes, ou encore l’acquisition de nouveaux, par transfert horizontal. Grâce à l’identification de gènes potentiellement impliqués chez M. tuberculosis, l’ensemble de ces travaux ouvre des perspectives pour la lutte contre la tuberculose, dont l’OMS a fait l’une de ses priorités.