Les protéines Arf : présentes avant l’émergence des cellules eucaryotes

Un système endomembranaire propre aux cellules eucaryotes

La cellule est la plus petite unité fonctionnelle connue chez les organismes vivants. Les premières formes de vie à être apparues sur terre, les bactéries et les archées, sont des microorganismes unicellulaires procaryotes. Il existe une différence fondamentale entre ces procaryotes et nos cellules : ces dernières ont acquis un système membranaire interne complexe permettant une compartimentation au sein de la cellule et l'émergence d’organites, comme le noyau, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi ou les mitochondries. La communication entre ces différents organites est assurée par des vésicules. Cette évolution a connu un grand succès, donnant naissance aux cellules eucaryotes qui constituent aujourd’hui des formes de vie pluricellulaires comme les animaux et les plantes, ou unicellulaires comme les levures et les protozoaires. Une question majeure en biologie est de comprendre comment les cellules eucaryotes ont émergé de leurs ancêtres procaryotes. Nous savons qu’elles ont émergé des archées, et plus précisément des archées d'Asgård, mais les processus impliqués sont encore mal compris. 

Le rôle clé des protéines Arf

La famille des protéines Arf est au cœur du fonctionnement du système endomembranaire des cellules eucaryotes. Ces protéines sont des actrices clés du trafic membranaire, régulant de multiples aspects de la communication entre les différents organites de la cellule. Les protéines Arf sont nécessaires au bourgeonnement des vésicules, à leur attachement aux compartiments donneurs et accepteurs, ainsi qu’au mouvement des vésicules et des organites le long du cytosquelette. Elles sont aussi impliquées dans la modification des lipides qui composent ces organites et vésicules. La plupart des protéines de la famille Arf remplissent leurs fonctions en recrutant des effecteurs à la membrane sous leur forme active liée au GTP. Comprendre quand et comment les protéines Arf sont apparues au cours de l’évolution, nous aidera à mieux saisir l’origine des compartiments membranaires propres aux cellules eucaryotes, contribuant ainsi à répondre à cette question fondamentale.

L’origine des protéines Arf identifiée chez les archées d'Asgård

Une étude publiée dans le journal Nature Microbiology apporte un nouvel éclairage sur l’origine des protéines Arf. Les scientifiques ont identifié un nouveau groupe de protéines chez les archées d'Asgård : les protéines ArfR (Arf-Related), dont la séquence est similaire à celle des protéines Arf des eucaryotes. Une approche phylogénétique a révélé que toutes les protéines Arf eucaryotes sont issues du groupe ArfR d’Asgård. L'expression de protéines ArfR représentatives des Asgård chez la levure démontre que ces dernières possèdent la capacité de se lier aux membranes grâce à une hélice amphipatique (AH) présente à l’extrémité N-terminale de la protéine, comme les Arf eucaryotes. La détermination de la structure 3D par cristallographie aux rayons X de ces protéines a révélé que leur liaison à la membrane est la conséquence de réarrangements structuraux importants et identiques à ceux observés chez les Arf eucaryotes. Ces travaux ont démontré que les protéines ArfR des archées d'Asgård ont conservé les mêmes capacités cellulaires et structurales de liaison aux membranes que les Arf eucaryotes alors que deux milliards d’années d’évolution les séparent.

Cette étude indique que la famille Arf est apparue dans l'ancêtre archée des eucaryotes, suggérant la possibilité que certaines de leurs fonctions liées à la régulation des compartiments membranaires soient aussi apparues dans notre ancêtre archée. La compréhension de la fonction des protéines ArfR chez les archées d'Asgård, qui, rappelons-le, ne possèdent pas de système endomembranaire comme les eucaryotes, permettra d’apporter des réponses à cette question passionnante. 

Figure : Les protéines ArfR des archées d'Asgård adoptent la structure 3D caractéristique des protéines Arf des eucaryotes et se lient aux membranes de cellules eucaryotes modèles (levure) par le même mécanisme.  Le panneau central présente les structures cristallines d'une protéine ArfR Asgård, HodArfR1. À gauche : sa forme active liée au GTP, avec l'hélice amphipathique N-terminale (AH) retirée. À droite : sa forme inactive liée au GDP, en présence de l’AH N-terminale. Les panneaux qui encadrent le panneau central montrent des images de microscopie à fluorescence de HodArfR1 sauvage (WT) et de mutants exprimés dans la levure avec un graphe indiquant le niveau de fluorescence le long de la ligne jaune. La protéine HodArfR1 WT est enrichie dans les membranes, tandis que la protéine WT dont l’AH N-terminale a été retirée (ΔAH) est cytosolique (panneau du haut). Le mutant actif (lié au GTP) de HodArfR1, est observé de façon plus dense aux membranes de la levure que la protéine WT, une localisation qui dépend, là aussi, de l'AH N-terminale (panneau de gauche), alors que le mutant inactif (lié au GDP) est cytosolique et ne se lie pas aux membranes (panneau de droite). Ces résultats indiquent que la liaison des protéines ArfR aux membranes dépend du nucléotide et de l'AH N-terminale, comme les protéines Arf eucaryotes. 

En savoir plus : Vargová R, Chevreau R, Alves M, Courbin C, Terry K, Legrand P, Eliáš M, Ménétrey J, Dacks JB, Jackson CL. The Asgard archaeal origins of Arf family GTPases involved in eukaryotic organelle dynamics. Nat Microbiol. 2025 Feb;10(2):495-508. doi: 10.1038/s41564-024-01904-6