C’est pourquoi Tobias Warnecke, qui étudie les histones archaïennes à l’Imperial College de Londres, pense qu ‘«il y a quelque chose de spécial qui a dû se produire à l’aube des eucaryotes, où nous passons de simples histones… à avoir des nucléosomes octamériques. Et ils semblent faire quelque chose de différent sur le plan qualitatif.

Ce que c’est, cependant, reste un mystère. Chez les espèces archaïennes, il y en a «un bon nombre qui ont des histones, et il y a d’autres espèces qui n’ont pas d’histones. Et même ceux qui ont des histones varient beaucoup », a déclaré Warnecke. En décembre dernier, il a publié un article montrant qu’il existe diverses variantes de protéines histones avec différentes fonctions. Les complexes histone-ADN varient dans leur stabilité et leur affinité pour l’ADN. Mais ils ne sont pas organisés de manière aussi stable ou régulière que les nucléosomes eucaryotes.

Aussi déroutante que soit la diversité des histones archéennes, elle offre une opportunité de comprendre les différentes manières possibles de construire des systèmes d’expression génique. C’est quelque chose que nous ne pouvons pas tirer de «l’ennui» relatif des eucaryotes, dit Warnecke: En comprenant la combinatoire des systèmes archaïens, «nous pouvons également comprendre ce qui est spécial dans les systèmes eucaryotes.» La variété des différents types et configurations d’histones chez les archées peut également nous aider à déduire ce qu’elles auraient pu faire avant que leur rôle dans la régulation des gènes ne se solidifie.

Un rôle protecteur pour les histones

Parce que les archées sont des procaryotes relativement simples avec de petits génomes, «Je ne pense pas que le rôle original des histones était de contrôler l’expression des gènes, ou du moins pas d’une manière à laquelle nous sommes habitués par les eucaryotes», a déclaré Warnecke. Au lieu de cela, il émet l’hypothèse que les histones auraient pu protéger le génome des dommages.

Les archées vivent souvent dans des environnements extrêmes, comme les sources chaudes et les évents volcaniques sur le fond marin, caractérisés par des températures élevées, des pressions élevées, une salinité élevée, une acidité élevée ou d’autres menaces. La stabilisation de leur ADN avec des histones peut rendre plus difficile la fusion des brins d’ADN dans ces conditions extrêmes. Les histones pourraient également protéger les archées contre les envahisseurs, tels que les phages ou les éléments transposables, qui auraient plus de mal à s’intégrer dans le génome lorsqu’il est enroulé autour des protéines.

Kurdistani est d’accord. «Si vous étudiiez les archées il y a 2 milliards d’années, le compactage du génome et la régulation des gènes ne sont pas les premières choses qui vous viendraient à l’esprit lorsque vous pensez aux histones», a-t-il déclaré. En fait, il a provisoirement spéculé sur un autre type de protection chimique que les histones auraient pu offrir aux archées.

En juillet dernier, l’équipe de Kurdistani a rapporté que dans les nucléosomes de levure, il existe un site catalytique à l’interface de deux protéines histones H3 qui peuvent se lier et réduire électrochimiquement le cuivre. Pour en comprendre la signification évolutive, Kurdistani remonte à l’augmentation massive d’oxygène sur Terre, le grand événement d’oxydation, qui s’est produit à l’époque où les eucaryotes ont évolué pour la première fois il y a plus de 2 milliards d’années. Des niveaux d’oxygène plus élevés doivent avoir provoqué une oxydation globale de métaux comme le cuivre et le fer, qui sont essentiels pour la biochimie (bien que toxiques en excès). Une fois oxydés, les métaux seraient devenus moins disponibles pour les cellules, de sorte que toutes les cellules qui conservaient les métaux sous forme réduite auraient eu un avantage.

Pendant le grand événement d’oxydation, la capacité de réduire le cuivre aurait été «une marchandise extrêmement précieuse», a déclaré Kurdistani. Il aurait pu être particulièrement attrayant pour les bactéries précurseurs des mitochondries, car le cytochrome c oxydase, la dernière enzyme de la chaîne de réactions que les mitochondries utilisent pour produire de l’énergie, a besoin de cuivre pour fonctionner.

Parce que les archées vivent dans des environnements extrêmes, elles ont peut-être trouvé des moyens de générer et de gérer du cuivre réduit sans être tuées par celui-ci bien avant le grand événement d’oxydation. Si tel est le cas, les proto-mitochondries auraient pu envahir des hôtes archaïens pour voler leur cuivre réduit, suggère Kurdistani.

Siavash Kurdistani, biochimiste à l’Université de Californie à Los Angeles, a spéculé sur la façon dont les capacités catalytiques de certaines histones auraient pu soutenir l’endosymbiose qui a produit des eucaryotes.Photographie: Reed Hutchinson / UCLA Broad Stem Cell Research Center

L’hypothèse est intrigante car elle pourrait expliquer pourquoi les eucaryotes sont apparus lorsque les niveaux d’oxygène ont augmenté dans l’atmosphère. «Il y avait 1,5 milliard d’années de vie avant cela, et aucun signe d’eucaryotes», a déclaré Kurdistani. « Donc, l’idée que l’oxygène a conduit à la formation de la première cellule eucaryote, pour moi, devrait être au centre de toutes les hypothèses qui tentent de trouver pourquoi ces caractéristiques se sont développées. »