Sans cerveau ni muscle, les méduses et leurs proches ont plutôt développé des armes subcellulaires

jen 1957, océanographe britannique Anthony Laughton communément observé« Les océans profonds couvrent plus des deux tiers de la surface du monde, et pourtant on en sait plus sur la forme de la surface de la lune que sur celle du fond de l’océan. »¹

Des décennies plus tard, Anna Klompen est tombée sur cette citation qui a éveillé son intérêt pour la biologie marine. Évitant la mégafaune charismatique de l’océan, Klompen s’est plutôt tourné vers les cnidaires, un phylum hétérogène qui comprend des coraux, des anémones de mer, Hydre, les méduses-boîtes et les vraies méduses. Les cnidaires n’ont pas de cerveau, ni de muscles forts, ni de dents pointues, et la plupart sont lents, voire sessiles. Néanmoins, ils peuvent être de redoutables prédateurs grâce à leurs systèmes de venin d’une éblouissante complexité.

Les cnidaires produisent un large éventail de toxines, notamment l’anémone de mer neurotoxines qui agissent sur les canaux sodiques pour toxines hémolytiques en boîte méduse.^2,3 Ces créatures administrent également leur venin d’une manière inhabituelle : des organites spécialisés appelés nématocystes sont des capsules hautement pressurisées et sensibles au toucher qui s’ouvrent à une vitesse incroyable pour éjecter des fléchettes chargées de toxines sur toute créature assez malchanceuse pour les frôler. Comprendre la biomécanique de ces capsules pourrait inspirer de nouvelles conceptions de microdispositifs pour l’administration de médicaments et d’autres applications.^4,5

Klompen, maintenant chercheur postdoctoral au Stowers Institute for Medical Research, a parlé de la génétique des toxines des méduses, de la biomécanique des organites urticants et de la manière dont les études sur les cnidaires peuvent aider les scientifiques à comprendre comment les cellules construisent leur machinerie interne.

Quels types de toxines se trouvent dans les venins de cnidaires ?

Leurs venins contiennent diverses biomolécules dotées de mécanismes d’action différents. Une grande partie des travaux de découverte de médicaments utilisant des cnidaires se sont concentrés sur les anémones de mer, notamment Nematostella vectensis. En effet, les venins d’anémone de mer contiennent souvent de nombreuses neurotoxines qui ciblent différents canaux ioniques avec une spécificité élevée. C’est idéal pour un médicament. Nous voulons qu’il cible un canal spécifique et qu’il effectue une action précise.

Les venins de méduses contiennent moins de neurotoxines ; au lieu de cela, ils contiennent des toxines porogènes ainsi que différents types de enzymes qui décomposent les protéines et les lipides.⁶ Ce n’est pas aussi idéal pour les médicaments, mais certaines de ces enzymes pourraient être suffisamment spécifiques pour qu’il soit intéressant de les explorer en tant qu’outils moléculaires.

Pour dresser un tableau plus complet des nombreux composants des venins de cnidaires, les chercheurs utilisent les gènes de toxines connus d’autres espèces comme guide pour rechercher de « nouvelles » toxines de cnidaires. Cependant, de nombreuses séquences du génome ressemblent à celles de toxines, même si la protéine qu’elles codent remplit une autre fonction.

Par exemple, lorsque nous avons analysé les tissus d’un polype entier de l’espèce Hydractinia symbiolongicarpusnous avons trouvé plus de 150 gènes ressemblant à du venin dans le transcriptome.⁷ Chez un animal comme un serpent, les chercheurs pourraient se concentrer sur le transcriptome de la glande à venin pour aider à déterminer quels gènes codent pour les véritables toxines du venin. Cependant, les systèmes venimeux des cnidaires ne sont pas centralisés de cette manière, ce qui rend difficile la détermination des gènes réellement importants pour le venin.

Hydractinie sont des animaux coloniaux. Ils sont constitués de nombreux petits animaux génétiquement identiques reliés entre eux par de minuscules tubes. Grâce à ces tubes, ils partager la nourriture, les précurseurs de cellules urticantes et même des types spécifiques de cellules souches.⁸ Ils sont également modulaires. Au sein de la colonie, certains individus attrapent des proies et les mangent tandis que d’autres se contentent de se reproduire. Je voulais étudier quels gènes ressemblant à du venin étaient exprimés dans les cellules urticantes et aussi si le « travail » d’un polype façonnait son profil de toxines, ce qui pourrait indiquer qu’ils utilisent différentes toxines à des fins différentes.

Pour le savoir, j’ai réalisé un transgénique Hydractinie lignée qui exprimait une protéine fluorescente rouge dans les cellules urticantes. Ensuite, en utilisant le tri cellulaire activé par fluorescence, nous avons séparé les cellules urticantes du reste du tissu et analysé leurs transcriptomes. Nous avons trouvé environ 100 gènes ressemblant à du venin régulés positivement dans les cellules urticantes. Plusieurs gènes ressemblant à du venin ont été exprimé différentiellement entre les cellules urticantes de différents types de polypes, avec un plus grand nombre de gènes de type venin régulés positivement dans l’alimentation des polypes.⁷ Cela est logique puisque ces polypes peuvent avoir besoin de venins plus complexes pour attraper des proies, alors que les polypes reproducteurs n’ont besoin de venin que pour se défendre. Grâce à des études comme celle-ci, nous pouvons commencer à comprendre le lien entre la composition du venin et sa fonction.

Comment les cnidaires délivrent-ils leur venin ?

Les cnidaires sont décorés de dizaines de milliers de minuscules nématocystes produits par des cellules urticantes spécialisées. Les nématocystes peuvent mesurer entre cinq et 15 microns, ce qui est plus fin qu’une feuille de papier. C’est l’un des seuls exemples d’un système de venin sur tout le corps, par opposition à une glande attachée aux crocs ou aux épines.

La façon dont un nématocyste injecte son venin est vraiment intéressante. Les nématocystes sont constitués de protéines de type collagène qui leur permettent d’être super pressurisés et capables de se déclencher extrêmement rapidement. Dans un enregistrement, la structure en forme de harpon d’un Hydre nématocyste accéléré à plus de cinq millions de g en 700 nanosecondes.⁹ Cela peut prendre des jours avant qu’ils aient la possibilité de tirer ces cellules urticantes sur leurs proies sans méfiance, ils doivent donc être capables de maintenir cette pression pendant de longues périodes.

Les structures protéiques des nématocystes sont uniques. Ce sont presque de petites aiguilles hypodermiques creuses avec différents types de barbes. D’un point de vue biomécanique, ils sont innovants. Les cnidaires fabriquent constamment des milliers, voire des dizaines de milliers de ces structures complexes, et nous ne savons tout simplement pas comment ce processus fonctionne. J’utilise actuellement une lignée de reporters de cellules urticantes d’anémone de mer pour en savoir plus sur la fabrication de ces structures, ce qui pourrait révéler des informations importantes pouvant être utilisées dans de futures applications technologiques bio-inspirées.

Que peuvent enseigner les cellules urticantes aux scientifiques sur les processus intracellulaires fondamentaux ?

Dans mes recherches actuelles, j’étudie ces structures afin d’explorer comment les cellules se construisent elles-mêmes ainsi que leurs structures internes. Nous considérons souvent les cellules comme les éléments constitutifs de la vie, mais elles sont en réalité constituées de sous-unités encore plus petites. Comment les cellules construisent-elles des organites complexes comme les nématocystes ? Les protéines qui composent finalement ces organites urticants ont certains attributs d’auto-assemblage, et nous savons que les processus d’auto-assemblage et de régulation génique qui aident à construire ces structures fonctionnent ensemble d’une manière ou d’une autre. Cependant, il est très difficile de distinguer ces deux mécanismes.

Parce que les cellules urticantes sont si spécifiques et si nombreuses, elles pourraient être de très bons outils pour répondre à ce genre de questions : comment les cellules se construisent-elles ? Quel est l’apport de chacun de ces processus d’assemblage ? Et comment cela pourrait-il nous aider à comprendre d’autres caractéristiques cellulaires complexes que nous pourrions observer chez d’autres organismes ?

Cette interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.

Les références

1. Rire AS. Explorer les fonds marins profonds.JRS Arts. 1957;106(5017):39-56.
2. Sachkova MY et al. La naissance et la mort de toxines aux fonctions distinctes : une étude de cas sur l’anémone de mer Nématostelle.Mol Biol Évol. 2019;36(9):2001-2012.
3. Brinkman, D.L. et coll. Transcriptome et protéome du venin de la méduse-boîte Chironex fleckeri.Génomique BMC. 2015;16(1):407.
4. Tal Y et coll. Libération continue de médicaments par l’anémone de mer Nematostella vectensis Microcapsules piquantes.Drogues Mar. 2014;12(2):734-745.
5. Karabulut A et coll. L’architecture et le mécanisme de fonctionnement d’un organite piqueur cnidaire.Nat Commun. 2022;13:3494.
6. Remigante A et al. Impact des venins de scyphozoaires sur la santé humaine et options actuelles de premiers secours en cas de piqûres.Toxines (Bâle). 2018;10(4):133.
7. Klompen AML et coll. Variation du système de venin et division du travail chez l’hydrozoaire colonial Hydractinia symbiolongicarpus.Toxicone X. 2022;14:100113.
8. Frank U et coll. L’hydroïde Hydractinie: un représentant cnidaire polyvalent et informatif. Essais biologiques. 2001;23(10):963-971.
9. Nüchter T et al. Cinétique à l’échelle nanoseconde de la décharge des nématocystes. Curr Biol. 2006;16(9):R316-R318.