Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Métropole 2 remplacement 2024
Thème : Complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses · Tiré du sujet Métropole France 2 remplacement (2024)
Énoncé
Exercice 2: Les tardigrades, des organismes super-résistants
[8 points]
Les tardigrades forment un groupe d'animaux pluricellulaires de taille millimétrique vivant dans des écosystèmes très divers. Certaines espèces telles que Ramazzottius varieornatus et Paramacrobiotus spatialis sont réputées pour leur capacité à survivre à des conditions environnementales extrêmes (températures comprises entre -272 et 150 °C, fortes pressions …). Des études ont montré que des mécanismes de complexification du génome sont impliqués dans cette résistance.
Document 1: la cryptobiose, une adaptation aux conditions extrêmes
La survie des tardigrades à des conditions environnementales extrêmes est permise par diverses adaptations dont la cryptobiose, décrite par le schéma ci-dessous. Dans les trois cas, l'animal perd une grande quantité d'eau, prenant la forme d'un tonnelet (petit tonneau), et devient inactif. Quand les conditions sont à nouveau favorables, il se réhydrate et son métabolisme reprend normalement.
Document 2: R.O.S. et cryptobiose
Certaines réactions chimiques du métabolisme cellulaire s'accompagnent de la production de R.O.S. (pour « reactive oxygen species »): il s'agit de dérivés de l'oxygène, tels que les radicaux libres ou le peroxyde d'hydrogène , chimiquement très réactifs. Un excès de R.O.S. dans les cellules est ainsi source de nombreux dommages comme une altération de l'ADN ou une détérioration des membranes. Une étude expérimentale a permis d'évaluer la production de R.O.S. dans des cellules du tardigrade Paramacrobiotus spatialis en état de cryptobiose. Pour ce faire, des cellules du tardigrade ont été incubées durant 45 minutes en présence d'une sonde fluorescente puis observées au microscope, l'intensité de la fluorescence révélant la quantité de R.O.S. produits. Des mesures ont été ainsi effectuées sur différents lots de cellules: Ctr: lot formé de 138 cellules provenant d'animaux normalement hydratés; D1R3: lot formé de 46 cellules provenant d'animaux déshydratés depuis 1 jour; D20R3: lot formé de 78 cellules provenant d'animaux déshydratés depuis 20 jours. Les barres d'incertitudes indiquent la variabilité des résultats obtenus.
Document 3: mesure de l'activité de la catalase chez un tardigrade
Des enzymes appelées catalases sont impliquées dans la neutralisation des R.O.S. en catalysant des réactions telles que . Le graphique ci-dessous présente des résultats de mesures de l'activité de la catalase présente dans l'organisme du tardigrade de l'espèce Paramacrobiotus spatialis soumis à différentes conditions: Ctr: lot formé de 50 animaux normalement hydratés; Dry: lot formé de 100 animaux déshydratés depuis un jour. L'astérisque (*) indique une différence significative entre les résultats des deux lots. Les barres d'incertitudes représentent la variabilité des résultats obtenus.
Document 4: la catalase de différents êtres vivants
Depuis le début du XXème siècle, des découvertes successives ont permis d'établir la structure spatiale de la catalase de diverses espèces ainsi que sa séquence en acides aminés, montrant par ailleurs que certains êtres vivants produisent plusieurs catalases différentes.
Document 4a: comparaison de la structure de différentes catalases
En général, cette enzyme est formée de quatre chaînes semblables d'acides aminés, chaque chaîne comprenant divers domaines. Sur le schéma comparatif ci-après chaque ligne présente de manière simplifiée les domaines d'une seule chaîne de la catalase de plusieurs espèces d'êtres vivants pluricellulaires (l'être humain Homo sapiens, la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, une espèce de ver de petite taille Caenorhabditis elegans et deux espèces de tardigrades) ainsi que de deux espèces de bactéries. Les catalases étudiées remplissent toutes la même fonction dans les cellules. Cependant on considère que les catalases les plus longues (telles que certaines catalases bactériennes comportant trois domaines) sont plus résistantes et capables de demeurer actives malgré des modifications chimiques ou physiques de leur environnement.
Document 4b: arbre représentant les ressemblances entre les domaines A des catalases de différentes espèces d'êtres vivants
Les espèces de tardigrades possèdent de nombreux caractères les classant au sein du groupe des animaux pluricellulaires. Cependant, si on représente le degré de ressemblance des séquences en acides aminés du domaine A de la catalase de différents êtres vivants, l'arbre obtenu est celui ci-dessous.
Document 5: données fournies par la bioinformatique sur les catalases
Des programmes informatiques permettent d'analyser de très nombreuses séquences de protéines ou de gènes regroupées dans des banques de données afin d'établir leur degré de similitudes. Le tableau ci-dessous est extrait d'un fichier qui répertorie 19 676 séquences du génome du tardigrade Ramazziottus varieornatus ainsi comparées à des séquences des génomes de diverses autres espèces d'êtres vivants. Ci-dessous sont présentés quelques exemples de gènes du tardigrade pour lesquels une ressemblance particulièrement élevée avec des gènes d'autres êtres vivants a été établie.
Nom du gène de Ramazziottus varieornatus · Nom de la molécule produite par l'expression du gène · Nom du groupe d'êtres vivants auquel appartient la séquence avec laquelle le gène du tardigrade présente la plus forte similitude
csnk2b · Sous-unité bêta de la caséine-kinase · Animaux pluricellulaires
clp a · Peptidase B caséinolytique · Animaux pluricellulaires
casp 7 · Caspase 7 · Animaux pluricellulaires
casp 7 · Caspase 7 · Animaux pluricellulaires
kat e · Catalase 1 · Bactéries
kat e · Catalase 3 · Bactéries
kat e · Catalase 4 · Bactéries
ldh · Lactate déshydrogénase · Animaux pluricellulaires
lic · Sous-unité alpha du récepteur de l'acétylcholine · Animaux pluricellulaires
lta a · Thréonine-aldolase · Animaux pluricellulaires
QUESTION: Expliquer comment certains tardigrades sont devenus capables de résister à des conditions extrêmes de l'environnement.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.
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Corrigé
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Expliquer comment certains tardigrades sont devenus capables de résister à des conditions extrêmes de l'environnement.
Réponse : 1. Un mécanisme physiologique : la cryptobiose (document 1) Face à des conditions extrêmes (froid, sécheresse, forte salinité), certains tardigrades entrent en cryptobiose : cryobiose, anhydrobiose ou osmobiose selon le facteur en cause. Ils perdent une grande quantité d'eau, se rétractent en « tonnelet » et deviennent métaboliquement inactifs. Cet état de vie ralentie les protège tant que les conditions sont défavorables ; quand elles redeviennent favorables, l'animal se réhydrate et son métabolisme reprend. 2. Un problème posé par la cryptobiose : le stress oxydatif (document 2) La production de R.O.S. augmente avec la durée de la déshydratation : - environ 600 u.a. chez les animaux hydratés (Ctr) ; - environ 1100 u.a. après 1 jour de déshydratation (D1R3) ; - environ 2800 u.a. après 20 jours (D20R3). La barre d'incertitude de D20R3 ne chevauche pas celle de Ctr. Or les R.O.S. endommagent l'ADN et les membranes. La cryptobiose devrait donc être délétère si ces R.O.S. n'étaient pas neutralisés. 3. Une réponse enzymatique : la catalase (document 3) La catalase neutralise le peroxyde d'hydrogène (). Son activité est significativement plus élevée chez les animaux déshydratés (Dry, environ 28 mU/µg) que chez les animaux hydratés (Ctr, environ 12 mU/µg), comme l'indique l'astérisque. Les tardigrades détoxifient donc les R.O.S. produits pendant la cryptobiose, ce qui limite les dommages cellulaires. 4. Des catalases particulièrement robustes (document 4a) - Les catalases 1, 3 et 4 des tardigrades (743, 749 et 728 acides aminés) possèdent trois domaines (A, B, C). - Celles des autres animaux (Homo sapiens, Drosophila, Caenorhabditis : 497 à 527 acides aminés) n'en ont que deux (A et B). - Par leur structure, les catalases des tardigrades ressemblent aux catalases bactériennes (E. coli : 753 acides aminés ; Pseudomonas : 712 acides aminés). Or les catalases longues à trois domaines sont plus résistantes aux modifications chimiques et physiques du milieu. Elles restent donc actives dans des conditions extrêmes. 5. L'origine de ces catalases : un transfert horizontal de gènes (documents 4b et 5) Les tardigrades possèdent de nombreux caractères d'animaux pluricellulaires. Pourtant, l'arbre construit à partir du domaine A de la catalase les regroupe avec Escherichia coli (bactérie), et non avec Homo sapiens, Drosophila et Caenorhabditis. Le document 5 le confirme : la plupart des gènes de Ramazziottus varieornatus (csnk2b, casp 7, ldh…) ressemblent le plus à des gènes d'animaux pluricellulaires, mais les gènes kat e codant les catalases 1, 3 et 4 ressemblent le plus à des séquences bactériennes. Ces gènes ne viennent donc pas d'un ancêtre animal commun : ils ont été acquis à partir de bactéries par transfert horizontal de gènes. Ce transfert d'ADN entre organismes non apparentés, hors reproduction, constitue un mécanisme de diversification et de complexification du génome. Conclusion Certains tardigrades sont devenus résistants aux conditions extrêmes en combinant la cryptobiose et une protection efficace contre le stress oxydatif qu'elle provoque. Cette protection repose sur des catalases longues à trois domaines, robustes et actives. Leurs gènes ont été acquis par transfert horizontal depuis des bactéries ; ils ont enrichi le génome des tardigrades et ont été conservés par sélection naturelle, car ils procurent un avantage de survie dans les milieux extrêmes.
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