Une protéine qui traverse deux milliards d’années d’évolution pour se retrouver dans une bonne partie du vivant, est-ce vraiment possible ? C’est le cas des protéines Arf, qui orchestrent le trafic vésiculaire. À l’Institut Jacques Monod et à l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule, les équipes de Catherine Jackson et de Julie Ménétrey explorent ces protéines fascinantes, qui partagent des similitudes frappantes avec les végétaux et les animaux. Une aventure scientifique qui tente de reconstituer l’histoire de la vie.
Ce projet de recherche est le fruit d’une collaboration internationale qui allie biologie cellulaire, biologie structurale et bio-informatique.

Et si le décryptage et la compréhension des origines du vivant résidait dans les protéines ? C’est justement la question posée par Catherine Jackson et Julie Ménétrey, toutes deux directrices de recherche CNRS respectivement à l’Institut Jacques Monod¹ et à l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule². Depuis plusieurs années, ces chercheuses et leurs collaborateurs s’interrogent sur le trafic cellulaire et la façon dont s’opèrent les mouvements et les échanges de molécules à l’intérieur des cellules et entre celles-ci. Ce trafic permet à la cellule de fonctionner, de communiquer avec son environnement et de survivre. Ses dysfonctionnements peuvent causer des maladies comme le diabète ou certains cancers.

L’étude du trafic cellulaire permet de mieux comprendre la diversité et la spécialisation des cellules. Mais comment expliquer cette diversité ? Quels en sont les mécanismes à l’origine ? Comment s’explique-t-elle ?
Le projet de recherche ArchaeArf porté par les deux chercheuses se focalise sur l’étude d’une famille de protéines : les protéines G Arf. Celles-ci sont les cheffes d’orchestre dans la cellule. Elles interviennent dans le transport de molécules entre des organites par des vésicules, au sein de la cellule et vers l’extérieur.  
Ces protéines sont essentielles pour des processus cellulaires fondamentaux. Elles sont présentes chez tous les eucaryotes tels que les animaux, les végétaux, les champignons. Cette famille de protéines révèle sa présence dans l’ancêtre commun eucaryote il y a 1,5 à 2 milliards d’années.

Asgard nous ouvre ses portes 
C’est en 2015 que les archées d’Asgard ont été identifiées pour la première fois dans des sédiments marins profonds près de la dorsale de Loki, en Norvège, grâce à des analyses génomiques. Leur découverte ont bouleversé la compréhension de l’évolution des cellules eucaryotes. Ces résultats confirment l’hypothèse que les eucaryotes descendent des archées d’Asgard. Dans le génome de ces dernières se trouvent des gènes codant pour des protéines uniquement présentes chez les eucaryotes, les Eukaryotic Signature Proteins (ESPs). Les études menées sur les génomes de ces micro-organismes mettent en évidence l’existence de protéines Arf R (Arf-Related) dont la séquence est proche des protéines Arf des eucaryotes. Cette similitude partagée entre les protéines Arf R et les protéines Arf humaine peut atteindre 40 % !

Les Archées d’Asgard, des organismes exigeants ! 
Bien qu’elles soient porteuses d’informations fascinantes, leur culture est extrêmement difficile : seulement cinq espèces ont été cultivées à ce jour sur la centaine d’espèces découvertes ! C’est principalement en raison de leur croissance lente, avec un temps de doublement de 7 à 25 jours. De plus, les souches cultivées vivent en synergie avec d’autres organismes comme des bactéries pour se développer.
Pour pallier ce problème, à l’Institut Jacques Monod, l’équipe de Catherine Jackson a cultivé des levures dans lesquelles les protéines Arf R sont exprimées. En recourant à la technique de détermination de la structure 3D par cristallographie aux rayons X, Julie Ménétrey et ses collaborateurs de l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule ont découvert que les structures des protéines Arf R présentent les mêmes caractéristiques distinctives à celles retrouvées chez les eucaryotes !  « Nous étions étonnés de voir que cette famille de protéines, dont les descendants chez les eucaryotes participent au trafic membranaire, a été conservée pendant près de 2 milliards d’années, » explique Catherine Jackson.

Des nouvelles questions en suspens
Les protéines Arf R présentes chez les archées d’Asgard ont-elles été impliquées dans le processus d’apparition des eucaryotes ? Sera-t-il possible de cultiver toutes les espèces d’archées d’Asgard pour étudier si elles présentent un trafic vésiculaire primordial ? Ces résultats soulèvent de nouvelles questions pour l’équipe de scientifiques. L’aventure dans le royaume d’Asgard est loin d’être terminée.