Comment les organismes vivants protègent leur ADN

résumé

On sait depuis déjà longtemps que les bactéries réagissent aux agents mutagènes par une réponse adaptative qui stimule les gènes de réparation de l’ADN. Nous allons voir ici des expériences sur des animaux et des plantes montrant une stimulation analogue suite à des doses modérées de rayonnements, qui ont donc des effets bénéfiques sur l’organisme. Ceci nous amènera à évoquer le cas a priori surprenant de la zone interdite de Tchernobyl, spontanément devenue une réserve d’animaux sauvages. Pour terminer nous évoquerons l’interminable et parfois vif débat sur l’existence même de cette réponse adaptative, que les toxicologues dénomment aussi « hormesis ».

Introduction

Dans un article écrit pour l’Encyclopédie de l’environnement : « Le génome entre stabilité et variabilité » , je signalais l’existence de mécanismes qui stimulent l’efficacité des réparations de la molécule d’ADN suite à des anomalies de structure (lésions) provoquées par des agents mutagènes (génotoxiques). Dans le cadre de cette encyclopédie, il n’était pas possible de développer ce sujet.
Je me devais d’y revenir dans ce blog. D’une part parce que ce fut le thème de recherche de mon équipe de Marseille-Luminy, pendant une dizaine d’années. D’autre part parce qu’il s’agit d’un sujet important, notamment en biologie fondamentale et en radiothérapie anti-cancéreuse. Pour rester accessible à un large public, objet même de ce blog, je me focaliserai sur l’essentiel. Les biologistes qui seraient intéressés trouveront des liens vers les publications scientifiques.

La double-hélice d’ADN              C: Messerwoland, modif : Dosto

Tout d’abord, l’inévitable rappel sur la structure de la molécule d’ADN. La fameuse molécule dont tout le monde parle mais que bien peu connaissent. Elle est constituée d’un enchaînement de monomères (les nucléotides) dont il existe quatre variants qui ne diffèrent que par la base azotée qu’ils portent : adénine (A), guanine (G), thymine (T) et cytosine (C). C’est la séquence précise de ces quatre variants et donc des quatre bases, qui constitue le « texte » des gènes, codant pour des protéines indispensables au fonctionnement des cellules vivantes. Sa structure comprend deux brins complémentaires, c’est la fameuse double-hélice, où A est toujours face à T et G face à C. Cette configuration permet d’obtenir, en une seule étape de réplication, deux molécules filles identiques à la molécule mère.

La réponse SOS chez les bactéries.

C’est le mécanisme de stimulation des réparations de l’ADN le plus anciennement connu, on l’appelle aussi « système SOS ». Son existence a été postulée dès le début de années 70, puis son mécanisme longuement étudié, surtout chez le colibacille. Il comprend tout un réseau de gènes codant pour des enzymes de réparation. La présence de lésions physiques sur la molécule d’ADN (cassures par exemple) va déclencher la surexpression de ces gènes et augmenter la production de ces enzymes.
Dans un premier temps, seront stimulées les enzymes de réparations « fidèles », c’est à dire qui restaureront la séquence d’ADN initiale. Cependant, si le nombre de lésions est trop élevé, ces enzymes précises seront débordées, et il y a alors induction de la synthèse d’autres enzymes capables de réparer et de répliquer l’ADN en « catastrophe », dans des situations où les enzymes précises ne savent pas fonctionner. Mais ces enzymes de « catastrophe » sont moins fiables que les autres et causeront des erreurs dans la séquence des bases de l’ADN, c’est à dire des mutations. Un peu paradoxalement, ce sont les systèmes de réparation qui vont provoquer les mutations et non directement les agents mutagènes.

Précisons tout de suite la différence entre lésions et mutations. Les lésions sont des anomalies de la structure physique de l’ADN qui, la plupart du temps, vont empêcher sa réplication. Elles ne peuvent donc être transmises à la descendance. Par contre, une molécule mutée a une structure physique normale, seule la séquence des bases, et donc l’information qu’elle porte est modifiée. Elle peut donc être répliquée sans problème et la mutation sera transmise aux cellules filles.
Chez le colibacille, pratiquement toutes les mutations provoquées par une irradiation aux ultra-violets sont dues à cette réponse SOS. Grâce à elle, la survie de la population bactérienne sera assurée mais avec la contre-partie d’une forte mortalité. Cette réponse est en quelque sorte celle de la dernière chance, d’où l’appellation « SOS ».

Il ne faut pourtant pas considérer ces mutations uniquement sous un angle négatif. En 1999 il a été démontré, toujours dans le cadre de la réponse SOS, qu’elles facilitent l’adaptation de la population bactérienne à un milieu devenu hostile. Ce qui illustre une fois de plus l’importance de la variabilité génétique pour l’adaptation des populations au milieu et donc pour l’évolution des espèces.

Des systèmes analogues étudiés chez la levure et des cellules animales in vitro.

Chez la levure (Saccharomyces cerevisae), un autre organisme favori des généticiens, on sait depuis les années 80 qu’il existe aussi des systèmes de réparations induits par des agents mutagènes, mais plus complexes que chez les bactéries. La levure est un eucaryote (les chromosomes sont dans un noyau bien individualisé), contrairement aux bactéries qui sont des procaryotes (pas de noyau dans la cellule, les chromosomes baignent dans le cytoplasme). On pouvait donc légitimement penser que des réponses de type SOS existaient chez tous les eucaryotes, y compris les organismes pluricellulaires comme les plantes et les animaux. Depuis les années 90, elles ont en effet été mises en évidence et très étudiées, sur des cellules en culture (in vitro) de vertébrés, notamment de mammifères (souris et humains).

Études sur des organismes vivants entiers

Nous allons maintenant nous intéresser à trois expériences réalisées sur des organismes très différents qui apportent des informations originales dans ce domaine de recherche. Leur principal intérêt étant qu’elles ont été réalisées sur des organismes vivants entiers et non pas sur des lignées cellulaires en culture in vitro. Il est toujours hasardeux d’extrapoler à un organisme complet des résultats obtenus sur des cellules en culture qui ne sont pas dans des conditions de vie comparables. D’autre part, les études in vitro ne permettent pas, bien évidemment, de tester le devenir d’une stimulation à travers la reproduction sexuée.

Chez les embryons de drosophile

Entre 1998 et 2000, deux chercheurs de mon équipe ont réalisé une expérience qui a clairement montré une stimulation des mécanismes de réparation précise sur des embryons de drosophile (la célèbre mouche du vinaigre des généticiens) après irradiation aux rayons gamma. Ce travail a été publié en 2000, dans le périodique Mutation Research.

Drosophila melanogaster
C: Aka

Simplifions au maximum : ils ont étudié les mécanismes de réparation de l’ADN dans des embryons en leur co-injectant par micro-manipulation deux types de molécules. L’une est un grand morceau d’un plasmide (ADN circulaire), l’autre un morceau plus petit du même plasmide, ces molécules présentent donc des séquences identiques (voir figure 2). Avec ce que l’on sait des réparations de l’ADN, on pouvait s’attendre à deux types d’événements : 1) des échanges par recombinaison homologue,  un mécanisme bien connu des généticiens. Il permet, entre autre, de faire des réparations très fidèles de molécules d’ADN cassées, par échanges entre des séquences identiques. Dans notre cas, ce mécanisme aboutit à la reconstitution du plasmide d’origine.
2) un raccordement des extrémités, accompagné d’ajouts et/ou de délétions de petits segments, ne pouvant en aucun cas reconstituer le plasmide initial, on parle de réparations fautives.

Figure 2 : Le cercle à gauche représente le plasmide de départ ; à droite, les 2 molécules préparées à partir de lui qui sont injectées dans l’embryon. Les segments de même couleur sont des séquences identiques. Les croix représentent les échanges par recombinaison homologue qui vont reconstituer le plasmide de départ. Les autres « réparations » possibles consistent à recoller des extrémités au hasard, ce qui ne peut reconstituer un plasmide intact.

Deux lots d’embryons ont été utilisés dont l’un seulement est irradié avant l’injection des molécules d’ADN, avec des doses non pathogènes de rayons gamma. Le lendemain, les molécules injectées sont extraites et étudiées. On retrouve bien les deux types d’événement attendus, mais on constate que dans les embryons irradiés, la voie de réparation fidèle est aussi fréquente que l’autre, alors qu’elle est très minoritaire chez les non-irradiés. La pré-irradiation des œufs a donc eu un effet biologiquement bénéfique en stimulant un mécanisme de réparation fidèle.

C’était la première fois que l’on montrait directement, au niveau moléculaire, un effet de stimulation de la recombinaison homologue (donc de la réparation fidèle), par des rayonnements chez un organisme pluricellulaire entier.
Ces expériences de biologie moléculaire avaient été précédées dans notre équipe, depuis 1991, par des recherches utilisant une méthodologie génétique assez complexe, (voir revue dans Médecine/Sciences en Français et en accès libre).
Les résultats étaient fortement en faveur de l’idée que la recombinaison était stimulée après irradiation modérée des mouches adultes, mais aussi que cette stimulation était transmise à la descendance pendant deux ou trois générations, par un phénomène de mémoire épigénétique. Dans la continuation de l’expérience sur les embryons, il aurait donc été possible de tester, directement par voie moléculaire cette fois, une éventuelle transmission temporaire à la descendance, phénomène très important sur le plan adaptatif. Mais suite à des événements totalement étrangers à la science proprement dite ce programme n’a pu être réalisé.

Chez une espèce végétale

Arabidopsis thaliana
C : Marco Roepers

Quelques années plus tard, en 2006, des chercheurs publiaient des résultats très similaires obtenus sur l’Arabette des dames (Arabidopsis Thaliana), une plante très étudiée. Leur protocole expérimental est très différent du précédent mais la conclusion est identique. Suite à des irradiations par des rayons ultra-violets, on observe une stimulation très significative de la recombinaison homologue. L’analogie avec les résultats de mon groupe allait encore plus loin car cette stimulation était aussi sujette à mémoire épigénétique, elle se transmettait à la descendance pendant au moins quatre générations. Chez les végétaux, qui sont fixées au sol, un tel mécanisme de mémoire est essentiel, il permet aux plantes filles d’être pré-adaptées à un milieu devenu hostile. Les auteurs obtenaient la même stimulation de la recombinaison homologue par application aux plantes d’un éliciteur (stimulateur des défenses de la plante), la flagelline, molécule produite par des bactéries pathogènes des plantes. Ce qui confirme des données déjà connues chez les procaryotes : les mécanismes de réponse à des agents toxiques différents sont co-régulés.

Les deux exemples que nous venons de voir ont deux avantages par rapport aux autres études antérieures sur les effets biologiques des rayonnements. 1) Ils étudient la stimulation d’un mécanisme biologique bien ciblé : la recombinaison homologue. 2) Comme nous l’avons dit, ils concernent des organismes entiers et non pas des cellules en culture.

Et chez des souris à Tchernobyl

En 2008, une équipe d’un laboratoire de l’Université Technologique du Texas a publié un travail qui entre aussi dans le cadre de notre sujet. Il est moins ciblé que dans les deux cas précédents, mais il est très intéressant pour deux raisons : il est réalisé sur des souris, biologiquement très proches de l’homme et dans un environnement naturel, puisqu’il s’agit du site de Tchernobyl. Il s’agit d’un travail assez complet, je ne peux ici que le résumer outrageusement, mais sans trop de remords car la publication complète est en accès libre.

L’expérience a consisté à placer des souris dans des cages, à l’abri des prédateurs, dans la Forêt Rouge à 1,5 km à l’ouest de la centrale de Tchernobyl, au cœur de la « zone d’exclusion ». Depuis la catastrophe nucléaire en 1986, la radioactivité dans cette zone avait considérablement diminuée, mais elle était encore importante, en moyenne 1000 fois supérieure aux radioactivités naturelles courantes, avec des variations notables (environ un facteur 5) selon l’emplacement. Les souris ont été réparties sur trois sites différents pendant des temps variables : 10, 20 et 45 jours.  Le degré de radioactivité de ces trois sites a été choisi de telle sorte que les souris reçoivent la même dose totale de rayonnement pendant leur temps d’exposition. Le débit de dose est donc différent selon le site, mais on reste toujours dans une plage d’irradiations considérées comme faibles en radiobiologie. Vingt-quatre heures après la fin de leur temps d’exposition, les souris sont soumises à une forte dose (pathogène) de rayonnements gamma, ainsi que des souris témoins restées en laboratoire. Les chercheurs recensent ensuite des anomalies cytologiques (présence de micronoyaux) qui, en principe, reflètent le nombre de cassures chromosomiques, donc de cassures double-brin de l’ADN. Ils constatent que les animaux maintenus sur les sites contaminés ont nettement moins d’anomalies que les animaux témoins restés en laboratoire. Le fait d’avoir soumis les souris à des doses faibles de rayonnement les a donc protégées contre une dose pathogène ultérieure.

Comme déjà dit, la différence avec les deux expériences précédentes est que celle-ci est moins ciblée, les auteurs n’ont pas cherché à mettre en évidence directement un processus aussi précis que des réparations fidèles de l’ADN. Leurs résultats indiquent plutôt que la stimulation porte sur les enzymes anti-oxydants, qui protègent l’ADN contre les radicaux libres (sous-produits du métabolisme respiratoire, très génotoxiques). Il n’en demeure pas moins vrai que les résultats mettent en évidence une réponse adaptative aux irradiations sur des animaux vivants, quel qu’en soit le mécanisme exact.

La situation biologique dans la zone interdite de Tchernobyl mérite un petit détour. En juin 2010, la chaîne de télévision ARTE a diffusé un documentaire sur le site de Tchernobyl dont le titre est :« Tchernobyl, une histoire naturelle ? »

Chevaux de Przewalsky à Tchernobyl. Après avoir fortement augmenté, leur nombre est en train de diminuer pour cause de braconnage. C : chornobyl.in.ua

On y voit que dans cette zone d’exclusion, qui couvre un rayon de 30 km autour de la centrale nucléaire, la végétation est luxuriante, de nombreux animaux sauvages s’y sont installés et se portent très bien, y compris de gros mammifères, cervidés, ours, chevaux de Przewalski (amenés en 1998 d’une réserve proche) etc…, et même des loups qui ont trouvé là du gibier à leur goût. L’explication admise et publiée, que l’on peut toujours trouver dans toutes les publications qui traitent de ce sujet est que, pour les espèces sauvages animales et végétales, la radioactivité est moins gênante que la présence humaine.
Il se trouve qu’avant la diffusion de ce documentaire, j’étais au courant de cette situation par des chercheurs du CEA de Cadarache, et cette explication me paraissait un peu courte. Elle n’explique pas pourquoi ces animaux vivent et se reproduisent normalement, y compris en présence de gros prédateurs, si la radioactivité du site a des effets globalement nocifs, même faibles. J’étais d’autant plus sceptique que je connaissais déjà les résultats des deux premières expériences résumées ci-dessus.

Vers la fin du documentaire, Brenda Rodgers, la chercheuse qui a dirigé le travail ci-dessus avec les souris, résume sa recherche et conclut, elle aussi, au déclenchement d’une réponse adaptative aux rayonnements.
Comme on peut s’en douter, ce documentaire a soulevé une levée de boucliers car ses données allaient à l’encontre de toutes les idées reçues. La contestation était d’autant plus facile que dans le film tous les scientifiques ne sont pas du même avis. Il n’en reste pas moins que l’expérience ci-dessus donne des résultats clairs et on peut s’étonner que les critiques de ce film la passent complètement sous silence.

L’interminable débat sur les effets biologiques des faibles doses de rayonnements.

Les trois expériences précédentes s’inscrivent dans un questionnement déjà ancien sur les effets des faibles doses de rayonnement. On est là dans un débat à la fois vif et confus où les connaissances scientifiques ont du mal à se frayer un chemin au milieu de croyances bien ancrées et de positions politiciennes, souvent même passionnelles. L’existence même de cette réponse radio-adaptative, dénommée aussi « hormesis » (« excitation » en grec) par les toxicologues, fait en effet partie d’une polémique plus générale sur la relation doses/effets en radioactivité. C’est le problème de « l’effet de seuil ». Précisons un peu.

En radiobiologie, il y a en gros deux courants. D’une part les tenants du LNT (Linear No Threshold ou Relation Linéaire Sans Seuil – RLSS) qui défendent l’idée que les effets néfastes des radiations sont directement proportionnels aux doses, même les plus faibles doses seraient un peu nocives. En font partie non seulement certains radiobiologistes, mais également les mouvements opposés au nucléaire.
D’autre part les opposants au LNT qui soutiennent au contraire l’idée qu’il y a bien un effet de seuil, donc pas d’effet nocif en-dessous d’une certaine dose, voire même un effet stimulateur des défenses cellulaires par réponse radio-adaptative. L’enjeu de ce débat n’est pas mince car il concerne aussi bien les usages médicaux des rayonnements, que les règles de radio-protection pour les travailleurs du nucléaire. Sans compter les solutions à mettre en œuvre en cas d’accident dans une centrale.
D’un point de vue strictement scientifique, parmi toutes les recherches faites sur le sujet, et il y en a beaucoup, il y a effectivement des résultats contradictoires. Ce qui n’est pas très étonnant dans la mesure où la grande majorité de ces travaux portent sur la transformation tumorale. C’est à dire l’apparition de cellules tumorales, soit sur des organismes complets (dans ce cas, avec développement de cancers), soit sur des cellules en culture. Or il s’agit là d’un phénomène complexe qui est la résultante de nombreux facteurs : cassures de l’ADN en premier lieu, mais aussi interactions cellulaires diverses, présence ou absence d’apoptose (auto-destruction de cellules dont l’ADN est lésé, une sorte de « suicide » cellulaire), etc.… L’existence de résultats contradictoires sur des types de cellules différents, étudiés dans des labos différents, n’a donc rien de très surprenant.
Les trois expériences résumées ici, montrent clairement que si l’on cible un mécanisme précis, comme la réparation fidèle de l’ADN ( deux premières expériences) ou la quantité de cassures double-brin (troisième expérience), les faibles doses de rayonnement entraînent bien une réponse adaptative bénéfique. Celle-ci serait donc générale, depuis les bactéries jusqu’aux animaux et aux végétaux. Ce sont des conclusions très importantes pour mieux comprendre les mécanismes d’adaptation des organismes à l’environnement, mais elles ne sont pas directement transposables à la cancérogenèse.

Il n’est pas dans mon intention d’entrer plus avant dans ce débat très complexe et confus. Je me contenterai donc de donner rapidement quelques informations complémentaires. En 2005 ont été publiés sur ce thème plusieurs rapports qui, à partir des mêmes données scientifiques, aboutissent à des conclusions en apparence contradictoires. Un rapport de l’ICRP (International Commission of Radiological Protection) ainsi qu’un rapport de l’Académie Nationale des Sciences des USA, concluent qu’en pratique dans le domaine médical et dans celui de la radioprotection, on doit continuer de baser l’estimation des risques sur le principe du LNT. Ils estiment qu’il n’y a pas suffisamment de preuves contre ce modèle pour y renoncer. Un troisième rapport a été publié conjointement par les Académies des sciences et de Médecine de France qui concluent que la validité de ce modèle n’est plus soutenable en regard des données scientifiques accumulées.
En fait, il semblerait que cette discordance tienne surtout au fait que les deux premiers rapports ont un but très pragmatique : mettre en place des protocoles standards de radioprotection en appliquant le principe de précaution, alors que le rapport français se place plutôt du point de vue de la connaissance scientifique.

Enfin, pour terminer, je signale deux articles relativement récents (2010) qui passent en revue la question des réponses adaptatives aux rayonnements et ont l’avantage d’être en accès libre. L’un, publié par un chercheur chinois, fait un bilan scientifique des données expérimentales en faveur de l’hormesis. Le second est écrit par un radiobiologiste polonais qui travaille sur ce sujet depuis 1953 (il avait 82 ans en 2010 !). Il est tout à fait convaincu de l’existence de cette réponse adaptative aux radiations et il analyse les causes qui font qu’elle est toujours « ignorée et rejetée par les institutions internationales ».

On trouvera aussi dans l’article « Faibles doses d’irradiation » sur wikipedia, de très nombreuses références bibliographiques sur le sujet, dont plusieurs en Français.

Pour avoir des informations précises sur la radioactivité, les rayonnements qui en découlent et leurs effets biologiques, on lira avec profit l’article « Radioactivité et réactions nucléaires » de l’Encyclopédie de l’environnement, déjà cité dans le texte.

Je remercie Christophe de La Roche Saint-André, chercheur au CNRS, qui fut mon collaborateur, pour ses judicieuses suggestions dans la rédaction de ce texte.

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