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Le processus de reproduction sexuée chez les plantes et les animaux, tel qu'il est connu chez l'homme, nécessite la fusion entre ovule et spermatozoïde. L'émergence de la reproduction sexuée est généralement datée d'environ 1 à 2 milliards d'années. Mais les chercheurs du Technion, en collaboration avec des équipes d'experts à l'étranger, proposent maintenant l'hypothèse que les mécanismes qui permettent cette fusion sont apparus il y a plus de 3 milliards d'années.

Les recherches, publiées dans Nature Communications, ont été menées par le professeur Beni Podbilewicz et le doctorant Xiaohui Li de la faculté de biologie du Technion, ainsi que par des chercheurs d'Uruguay, de Suisse, de Suède, de France, de Grande-Bretagne et d'Argentine.

La fusion du sperme et de l'ovule marque le moment de la fécondation et le début du développement embryonnaire. Comme les deux cellules contiennent exactement la moitié de l'information génétique nécessaire à la descendance, les fusions anormales de plusieurs spermatozoïdes sur un ovule auront un développement incorrect. Le processus est donc étroitement réglementé. Des protéines spécialisées appelées "fusogènes" doivent être présentes au moment et à l'endroit précis pour permettre à l'ovule et au spermatozoïde de fusionner ensemble.

Le laboratoire Podbilewicz étudie les fusogènes dans plusieurs organismes, & a d'abord identifié et caractérisé deux de ces protéines chez le nématode C.elegans (EFF-1 et AFF-1). Ces protéines sont impliquées dans le développement des organes, mais pas dans la fécondation. De manière surprenante, l'analyse structurale a révélé que ces protéines ont une structure tridimensionnelle très similaire à celle d'un autre fusogène impliqué dans la fécondation chez les plantes (GCS1/HAP2). Cette famille de protéines de fusion de structure similaire a été nommée Fusexines et comprend des représentants chez les plantes, les animaux, les virus, les algues unicellulaires et les parasites.

Afin d'approfondir et de caractériser l'origine et l'évolution de la famille des fuséxines, le collaborateur David Moi et une équipe de chercheurs d'Argentine et de Suisse ont effectué une recherche bio-informatique sur des séquences génétiques prélevées dans différents environnements. Après avoir passé au crible des échantillons de sol, de lacs salés, d'eau douce et de sédiments marins, ils ont découvert 96 séquences appartenant à des archées, qui présentaient certaines similitudes avec des protéines de fusion déjà connues. Les séquences ont été nommées fusexin1 (Fsx1), et une équipe d'experts dirigée par Pablo S. Aguilar, Hector Romero et Martin Graña ont confirmé qu'ils appartiennent à des espèces d'archées issues de lignées dont l'origine est estimée à plus de 3 milliards d'années. Cependant, on ne savait pas encore si la protéine codée par Fsx1 ressemblait à des membres de la famille des fusexines & si elle était réellement capable d'assurer la fusion intercellulaire. 

Pour déterminer la structure de cette protéine Fsx1, Shunsuke Nishio, de l'Institut Karolinska en Suède, a utilisé des méthodes cristallographiques pour déchiffrer la conformation tridimensionnelle de la protéine Fsx1. Nishio a montré que la protéine Fsx1 contient trois domaines structurels très similaires aux membres connus de la Fusexine et qu'elle est disposée en un complexe à trois éléments - appelé trimère - comme le font les autres fusogènes connus. De manière surprenante, Fsx1 possède un quatrième domaine supplémentaire qui ne se trouve dans aucun membre connu de la Fusexine. Le professeur Luca Jovine, qui a dirigé l'analyse de la structure cristallographique, a également utilisé un nouveau logiciel d'apprentissage automatique (AlphaFold2) pour déterminer la structure de la protéine Fsx1.

Pour prouver que la protéine Fsx1 joue un rôle fusogène, la doctorante Xiaohui Li du laboratoire Podbilewicz a mené une expérience dans laquelle elle a exprimé la protéine Fsx1 dans une culture cellulaire dérivée de mammifères, qui ne fusionnent généralement pas. En collaboration avec la directrice du laboratoire, Clari Valansi, et les membres du laboratoire, Nicolas Brukman et Kateryna Flyak, Li a montré que la protéine Fsx1 des archées induit la fusion de ces cellules de mammifères qui ont divergé il y a 1 à 2 milliards d'années.

Chez les virus, les protéines Fusexin connues servent de médiateur pour l'entrée du virus dans la cellule hôte (comme c'est le cas pour le coronavirus), tandis que chez les eucaryotes (cellules dotées d'un noyau) -plantes, nématodes et protistes - elles jouent un rôle dans la sculpture des organes, la réparation des neurones et la sexualité.

Mais qui est arrivé en premier ? Un fusogène utilisé pour la reproduction sexuelle a-t-il été arraché par un virus, ou une protéine virale utilisée pour l'infection a-t-elle été adoptée par les plantes ?

Étant donné que les archées sont antérieures à l'origine des eucaryotes, l'étude de Moi, Nishio, Li et d'autres soulève un troisième scénario possible : toutes les fuséxines proviennent des archées, dont la lignée s'est scindée en diverses fonctions au cours du temps, de l'infection virale à la fusion des spermatozoïdes et des ovules - un milliard d'années avant la reproduction sexuelle. Une prochaine étape importante consistera à étudier ce que font les protéines Fsx1 dans la nature.

Participent-ils à la fusion des cellules archéennes comme leurs homologues fusexines végétales et animales fusionnent les gamètes (par exemple, les œufs et les spermatozoïdes) pour favoriser un échange d'ADN de type sexuel ? Des études parallèles seront également nécessaires pour comprendre l'histoire évolutive reliant la protéine Fsx1 et GCS1/HAP2 afin d'établir quelle est leur origine. Les fusexines archéennes et d'autres fusogènes encore inconnus pourraient nous aider à comprendre comment les cellules ont évolué depuis des formes apparemment simples partageant entre elles des morceaux discrets d'ADN jusqu'aux formes de vie complexes d'aujourd'hui qui se reproduisent sexuellement. Ainsi, la découverte que des créatures anciennes comme les archées peuvent également contenir des protéines de type fusexine soulève la possibilité intrigante que la protéine Fsx1 soit la version ancestrale à partir de laquelle les fusogènes viraux, végétaux etanimaux ont dérivé.

L'étude a été soutenue par le programme Horizon 2020 de l'Union européenne, la bourse Marie Curie, la Fondation scientifique israélienne, et d'autres. Certaines analyses d'échantillons ont été effectuées au Centre Européen de synchrotron (ESRF).