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Le chercheur de l’Université d’État du Colorado étudie comment ces microbes rustiques — qui constituent l’un des trois domaines survivants de la vie — expriment leurs gènes, produisent leur énergie et prospèrent dans des environnements chauds et sans lumière.

Il s’avère que nous ne sommes pas si différents — sur le plan biochimique, en tout cas — des archées après tout.

Santangelo, professeur associé au département de biochimie et de biologie moléculaire, faisait partie d’une équipe qui a découvert des parallèles frappants entre la façon dont les cellules archées et les cellules plus complexes, y compris celles des humains et des animaux, emballent et stockent leur matériel génétique. Cette étude révolutionnaire, publiée dans Science au début de l’année, a apporté la preuve que les cellules archées et eucaryotes partagent un mécanisme commun pour compacter, organiser et structurer leurs génomes.

L’étude était dirigée par Karolin Luger, aujourd’hui biologiste structurelle à l’Université du Colorado Boulder. La plupart des résultats rapportés dans Science ont été réalisés alors que Luger était membre de la faculté du CSU, de 1999 à 2015.

Un petit rappel de biologie de lycée : Les eucaryotes sont des cellules dotées d’un noyau et d’organites liés à une membrane, et ils comprennent les cellules fongiques, végétales et animales — y compris humaines –. Ils se distinguent de leurs homologues moins complexes, les procaryotes, par l’absence de noyau. Bien que les archées et les bactéries soient toutes deux des procaryotes, elles ne sont apparentées que de loin. Les archées sont les progéniteurs probables des eucaryotes et partagent plusieurs des mêmes protéines qui contrôlent l’expression des gènes.

L’un des processus les plus fondamentaux de la vie — la mécanique par laquelle l’ADN se plie, se replie et s’entasse dans un noyau cellulaire — est commun à tous les eucaryotes, des protistes microscopiques aux plantes et aux humains.

Enfermés à l’intérieur du noyau de chaque cellule eucaryote se trouvent plusieurs pieds de matériel génétique qui est compacté d’une manière très spécifique. De petites sections d’ADN sont enroulées, comme du fil autour d’une bobine, environ deux fois autour de huit petites protéines appelées histones. L’ensemble de ce complexe ADN-histones est appelé nucléosome, et une chaîne de nucléosomes compactés est appelée chromatine. En 1997, Luger et ses collègues ont rapporté pour la première fois la structure exacte des nucléosomes eucaryotes par cristallographie aux rayons X.

Un collaborateur du journal scientifique, John Reeve, avait découvert dans les années 1990 que les protéines histones n’étaient pas limitées aux eucaryotes, mais se trouvaient également dans les cellules d’archées sans noyau. Reeves et Luger ont entamé une collaboration pour cristalliser la chromatine des archées à base d’histones et comparer cette structure à la chromatine eucaryote.

Après des années d’arrêts et de départs et des difficultés à faire croître des cristaux d’histones archéales fiables — Luger a parlé d’un « problème cristallographique noueux » — les scientifiques ont réussi à résoudre la structure de la chromatine archéale, révélant sa similarité structurelle avec les eucaryotes.

Dans les données, l’ADN archéal semblait former de longues superhélice courbes et répétitives. Les chercheurs n’étaient pas sûrs que cette structure soit réelle, ou un artefact de l’expérience. C’est là que l’équipe de Santagelo au CSU a apporté une expertise clé.

« Mon groupe a relevé le défi de déterminer si la structure résolue dans les cristaux représentait une structure biologiquement significative », a-t-il déclaré.

L’équipe de Santangelo a fabriqué des variantes des histones archéales et a testé comment les cellules s’en sortaient, lorsqu’elles perturbaient la superhélice de l’ADN. Ils ont constaté que plus ils déstabilisaient la structure, plus les cellules étaient malades. Leurs efforts ont souligné les mérites de la structure que le groupe de Luger avait déterminée.

Faire partie d’une équipe qui a fourni un aperçu aussi fondamental que l’ascendance de nos cellules a été parmi les moments les plus gratifiants de la carrière de Santangelo.

« L’impact majeur de l’article, je pense, est que l’idée de compacter l’ADN dans ces structures est une idée très ancienne — probablement plus d’un milliard d’années », a déclaré Santangelo. « Les protéines histones sont entrées en scène, et une fois qu’elles ont pénétré et commencé à emballer les génomes, elles se sont largement rendues indispensables à ces cellules qui les codaient. »

Santangelo continuera à mener des études sur la structure, la fonction et les transactions énergétiques des archées — ces anciens marins qui représentent maintenant définitivement un prototype ancestral de l’activité cellulaire humaine.