Les gènes de résistance aux antibiotiques ont tendance à persister dans E. coli grâce au «capitalisme génétique»

Nous savons depuis un certain temps que la surconsommation d'antibiotiques provoque une augmentation effrayante de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries, par la propagation rapide des gènes de résistance aux antibiotiques. Ce qui peut être derrière cela n'est pas seulement la propagation de ces gènes, mais un changement fondamental dans la façon dont l'évolution stimule l'économie du contenu des gènes parmi les microbes.

Normalement, selon la théorie de l'évolution, les gènes qui deviennent répandus dans une population sont choisis par sélection naturelle, où la survie des organismes porteurs d'un gène spécifique est déterminée par une analyse économique coûts-avantages sans fioritures. Maintenant, cependant, il semble que les interférences humaines excessives transforment les bactéries en « capitalistes génétiques » rapaces accumulant des gènes, entraînant un processus d'évolution plus inattendu.

Une nouvelle étude, publiée dans le dernier numéro de la revue Cladistique, analyse un ensemble de données génétiques massives impliquant les génomes de 29 255 souches de la bactérie Escherichia coli (E. coli) recueillies entre 1884 et 2018 pour examiner l'évolution de 409 gènes différents qui permettent à diverses souches de bactéries de résister à divers antibiotiques. Les chercheurs ont examiné si les gènes conférant une résistance aux antibiotiques, une fois acquis, avaient tendance à persister massivement dans la lignée bactérienne – un phénomène connu sous le nom de «capitalisme génétique» – ou à disparaître une fois qu'ils ne sont plus nécessaires à la survie, grâce à un processus évolutif normal connu sous le nom de «sélection stabilisante».

Dans un monde normal et non perturbé, les processus d'évolution corrigent bien sûr les modifications des génomes bactériens pour tenir compte du «coût». En ajoutant un gène supplémentaire qui introduit un coût supplémentaire en s'ajoutant aux processus de la bactérie, la sélection naturelle équilibre le changement avec des paramètres de survie plus longs ou plus longs, tels qu'une croissance plus rapide et une reproduction plus importante – et un processus de « sélection stabilisante » devrait théoriquement dominer en favorisant l'élimination des gènes dont les coûts interfèrent inutilement.

Une grande variété de gènes qui aident les bactéries à résister aux composés antibiotiques (antibiotiques libérés par d'autres micro-organismes et maintenant cooptés en médecine humaine et en agriculture) existent probablement depuis plus d'un milliard d'années, mais n'ont jamais été aussi nécessaires à la survie bactérienne qu'à être répandue dans les génomes bactériens. On s'attendait, selon la théorie de l'évolution, à ce que ces gènes, comme les outils volumineux et à haute maintenance transportés dans une boîte à outils bactérienne, tendraient à disparaître lorsqu'ils n'étaient plus nécessaires.

L'étude a révélé que la «sélection stabilisante» n'est plus la règle évolutive pour les gènes de résistance aux antibiotiques.

Les bactéries subissent une pression concurrentielle constante d'autres micro-organismes, se battant pour les ressources et l'espace ou se défendant contre les attaques. Le budget énergétique de E. coli est assez serré – il a été dit que même l'ajout d'une base supplémentaire à un gène rendrait la lignée bactérienne moins en forme.

En l'absence de forces sélectives d'antibiotiques, la lignée bactérienne évoluerait pour perdre des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques – tout ce qui n'est pas nécessaire. C'est la stabilisation de la sélection – les lignées bactériennes devraient revenir au type sauvage par des forces sélectives ou être dépassées. « 

Daniel Janies, professeur distingué de bioinformatique et de génomique Carol Grotnes Belk à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte, et auteur correspondant de l'étude

Et pourtant, dans l'histoire évolutive de E. coli au cours des 134 dernières années, l'étude a révélé que la préservation des modifications génétiques qui conféraient une résistance aux antibiotiques était plus susceptible de se produire que de les perdre par une sélection à long terme.

« La plupart des gènes que nous avons examinés montrent des gains dans une lignée bactérienne, mais montrent rarement des pertes », a déclaré Janies. « Imaginez comment le transport de tous ces gènes – parfois jusqu'à 30 d'entre eux – devrait avoir un impact sur la forme évolutive d'une bactérie. »

Bien que l'augmentation de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries ne soit pas une nouvelle découverte, Janies note que la portée de son apparition montre qu'une interférence humaine massive provoque l'avènement d'une thésaurisation généralisée de gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques qui ne se serait probablement pas produite sous une pression évolutive normale.

« Depuis l'industrialisation des antibiotiques, nous avons vu que le coût de la prospérité ou tout simplement de survivre pour E. coli nécessite un ou plusieurs – ou plus d'une trentaine de gènes de résistance aux antibiotiques « , a déclaré Janies. » Les forces que nous appliquons à travers l'industrialisation des antibiotiques sont très fortes. « 

Cependant, l’étude montre également que tous les gènes qui confèrent une résistance aux E. coli sont affectées dans la même mesure par les nouvelles pressions évolutives. L'étude suit cinq façons différentes dont les gènes peuvent conférer une résistance aux antibiotiques et mesure les différences entre ces grandes classes d'antibiotiques, qu'elles soient poussées ou non de la sélection stabilisante au capitalisme génétique.

« Ce que nous voulions faire, c'est regarder l'histoire de ces processus à travers l'objectif d'un très grand ensemble de données collectées sur 134 ans et voir s'il y avait des différences qualitatives et des différences fonctionnelles dans les gènes qui se comportent par les principes de stabilisation de la sélection et ceux qui présentent le capitalisme génétique « .

L'étude a révélé que les gènes de résistance aux antibiotiques qui fonctionnent par des mécanismes de «remplacement» (remplacement des molécules de cellules bactériennes qui sont des cibles de composés antibiotiques par des molécules différentes) ou «d'efflux» (provoquant le transport des composés antibiotiques hors de la cellule) sont encore plus susceptibles d'être éliminées par stabilisation de la sélection que de participer en tant que monnaie au capitalisme génétique – probablement parce que ces deux mécanismes sont extrêmement coûteux pour le fonctionnement de routine de la cellule bactérienne.

Néanmoins, tous les autres mécanismes de résistance aux antibiotiques se comportent comme s'ils étaient sous le principe du « capitalisme génétique », favorisant la persistance des gènes, montrant que, dans l'ensemble, la tendance à conserver ces gènes de résistance coûteux est devenue la nouvelle règle pour les lignées bactériennes.

« Cette étude aide vraiment à stratifier la gravité ou le risque de différents types de résistance », a noté Colby Ford, bioinformaticien de l'UNC Charlotte, premier auteur du document. « En d'autres termes, nous pouvons mieux identifier les antibiotiques qui sont plus à risque que les bactéries développent une forme de résistance plus permanente, ce qui devrait être évité. »

Les chercheurs notent que certains gènes de résistance aux antibiotiques (dont les types présentent encore de forts effets de stabilisation de la sélection) peuvent encore être réduits dans les populations bactériennes par le «cycle des antibiotiques» – en retirant certains antibiotiques pendant un certain temps jusqu'à ce que la sélection stabilisante réduise la présence de le gène de résistance dans les populations bactériennes.

« C'est une constatation alarmante, mais je ne voulais pas écrire le » papier du destin et de la morosité « – je pense qu'il y a de l'espoir pour gérer certains types de résistance aux antibiotiques », a déclaré Janes. « S'il y a un message à retenir qui peut être utilisé pour la gestion des antibiotiques, c'est que certaines classes d'antibiotiques, celles qui fonctionnent via le remplacement de cible et l'efflux, sont soumises à une sélection stabilisante, si nous avons la volonté et l'organisation d'invoquer le cycle des antibiotiques. « 

La source:

Université de Caroline du Nord à Charlotte

Référence de la revue:

Ford, C.T., et al. (2020) Capitalisme génétique et sélection stabilisante des génotypes de résistance aux antimicrobiens chez Escherichia coli. Cladistique. doi.org/10.1111/cla.12421.

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