Cellules procaryotes et eucaryotes comparées

Les mitochondries et les chloroplastes ne sont pas apparus à l’intérieur de la cellule eucaryote : ils étaient autrefois des procaryotes libres, engloutis puis conservés. Les preuves sont étonnamment directes et constituent la meilleure raison d’affirmer que les eucaryotes descendent des procaryotes au lieu d’être apparus à côté d’eux. Ces deux organites ont la taille d’une bactérie. Tous deux sont entourés d’une double membrane, dont la membrane interne porte la signature chimique d’une membrane bactérienne, tandis que l’externe correspond à la vésicule de l’hôte qui les a engloutis. Tous deux contiennent leur propre ADN, circulaire, non empaqueté en chromosomes linéaires et transmis séparément du génome nucléaire. Tous deux fabriquent leurs protéines sur des ribosomes d’ascendance bactérienne plutôt que sur les 80S du cytoplasme voisin — 70S chez les chloroplastes, mais une particule réduite d’environ 55S dans les mitochondries des mammifères — et tous deux se divisent seuls par fission binaire, non par mitose. Dans les années 1960, Lynn Margulis a rassemblé ces observations dans la théorie endosymbiotique, et le séquençage des gènes a ensuite placé les gènes mitochondriaux parmi les alphaprotéobactéries et les gènes chloroplastiques parmi les cyanobactéries — ces algues bleu-vert nommées par les notes, aujourd’hui reconnues à juste titre comme procaryotes. Chez l’humain, le génome mitochondrial est un petit cercle d’environ 16 569 paires de bases portant trente-sept gènes, dont treize codent des protéines de la chaîne respiratoire ; il est transmis presque exclusivement par la mère, ce qui explique le mode maternel des maladies mitochondriales dans les familles et pourquoi le conseil génétique y diffère de celui d’une mutation d’un gène nucléaire. Cette même ascendance bactérienne explique un piège clinique : les médicaments qui visent les ribosomes bactériens 70S peuvent aussi perturber la synthèse des protéines mitochondriales, ce qui contribue à la perte auditive et à l’atteinte rénale associées aux aminosides et à la suppression médullaire du chloramphénicol.

Le S de 70S et de 80S est une unité Svedberg : il mesure la vitesse de sédimentation d’une particule dans une centrifugeuse, et non sa masse, ce qui explique que les nombres ne s’additionnent pas. Le ribosome bactérien est 70S mais composé d’une grande partie 50S et d’une petite partie 30S ; le ribosome cytoplasmique humain est 80S mais composé de parties 60S et 40S. L’importance pharmacologique tient à la forme différente de ces deux machines : on peut concevoir un médicament qui bloque la machine bactérienne et laisse la machine humaine fonctionner. C’est la toxicité sélective, le principe que Paul Ehrlich appelait le « projectile magique » : le médicament doit atteindre une cible que possède l’agent pathogène et que ne possèdent pas les cellules du patient. Les aminosides, comme la gentamicine et la streptomycine, se fixent à la petite partie bactérienne et lui font mal lire l’ARN messager : la bactérie insère alors de mauvais acides aminés et ses protéines deviennent inutiles. Les cyclines bloquent cette même petite partie et empêchent toute lecture du message. Les macrolides, comme l’érythromycine et l’azithromycine, le chloramphénicol et le linézolide agissent sur la grande partie bactérienne, en bloquant la formation de la liaison peptidique ou le déplacement du ribosome le long du message. Les ribosomes cytoplasmiques humains sont 80S et ne sont pas touchés aux doses employées, ce qui permet d’administrer ces médicaments par voie générale. La sélectivité n’est pas parfaite, et la raison en est l’ascendance mitochondriale : les mitochondries portent des ribosomes d’ascendance bactérienne et non des particules 80S, si bien que les mêmes médicaments peuvent perturber la production d’énergie du patient. C’est le mécanisme de l’ototoxicité et de la néphrotoxicité limitantes des aminosides, de l’anémie aplasique rare du chloramphénicol et de l’acidose lactique avec suppression médullaire observée lors d’un usage prolongé du linézolide, ainsi que de la diarrhée causée par la perturbation de la flore intestinale. Cela explique aussi pourquoi les médicaments visant le ribosome sont inutilisables contre les champignons : leurs ribosomes sont des 80S comme les nôtres, et un antifongique doit donc attaquer autre chose, comme l’ergostérol de la membrane fongique ou le glucane de sa paroi, ce qui rend l’antifongithérapie plus lente, plus étroite et plus toxique. Pour l’infirmière, les conséquences pratiques sont le suivi thérapeutique de la gentamicine, le contrôle initial et répété de la fonction rénale et de l’audition, et la règle de ne jamais supposer que « cela n’agit que sur les bactéries » signifie « cela ne peut pas atteindre le patient ».

Les termes employés par les notes — Protistes inférieurs et supérieurs — appartiennent à une vision ancienne où le vivant était rangé sur une échelle unique, du simple au complexe. La classification moderne n’est pas une échelle mais un arbre ramifié, et la ligne procaryote–eucaryote en est la ramification la plus profonde que la seule structure cellulaire permette de tracer : ce sont Roger Stanier et C. B. van Niel qui ont donné à cette distinction structurale sa place centrale en 1962, et la date de 1992 indiquée par les notes est fausse. Les systèmes ultérieurs ont conservé la frontière mais changé son contenu. Le schéma à cinq règnes de Whittaker, en 1969, plaçait tous les procaryotes dans un seul règne, Monera, à côté des Protistes, des Champignons, des Végétaux et des Animaux. Ce schéma s’est effondré lorsque Carl Woese et ses collègues ont comparé les séquences de l’ARN ribosomique 16S, molécule dont toute cellule a besoin et qui évolue assez lentement pour conserver la trace des parentés anciennes. La comparaison a montré que les organismes alors appelés archébactéries diffèrent des bactéries ordinaires autant que les deux diffèrent des eucaryotes ; en 1990, le système à trois domaines a donc été adopté : Bactéries, Archées et Eucaryotes. Les archées sont des procaryotes par leur plan cellulaire — pas de noyau, un chromosome circulaire, des ribosomes 70S — mais elles sont chimiquement distinctes : leurs lipides membranaires sont unis par des liaisons éther et non ester, leur ARN polymérase ressemble à l’enzyme eucaryote, et leurs parois, lorsqu’elles existent, ne sont pas du vrai peptidoglycane. Le groupe comprend les méthanogènes de l’intestin et des eaux usées, les halophiles extrêmes des lacs salés et les thermophiles des sources chaudes. Aucune archée n’est reconnue comme pathogène humain, ce qui explique que le contraste cliniquement utile reste celui enseigné ici : la cellule procaryote présente des cibles que la cellule eucaryote ne possède pas. La leçon de ce redessin est que les noms suivent les preuves. Les notes classent les algues bleu-vert parmi les procaryotes, ce qui est correct, mais le nom est un fossile : ce sont des cyanobactéries, et les appeler algues masque le fait qu’elles sont des bactéries photosynthétiques. Pour l’infirmière, la traduction ne change jamais : identifiez le type de cellule, et vous saurez quelle famille de médicaments peut éventuellement agir.