Apicomplexa

1 Introduction

Le phylum Apicomplexa est un groupe d’eucaryotes unicellulaires vivant comme parasites obligatoires des animaux. Ces protistes infectent des hôtes métazoaires allant des invertébrés, tels que les polychètes (Rueckert et al., 2010), les sipunculidés (Leander, 2006), les mollusques céphaliques (Kopečná et al., 2006), ou divers insectes (Hecker et al., 2002), aux reptiles, amphibiens et mammifères, y compris les humains (Duszynski et al., 1999 ; Smith, 1996). Les Apicomplexa contiennent également Plasmodium, les agents responsables du paludisme, la maladie parasitaire la plus dévastatrice pour l’homme, et le coccidium Toxoplasma gondii, probablement le parasite le plus répandu chez l’homme et dont l’influence sur son comportement est proposée (Flegr, 2007). Comme il s’agit de l’un des groupes eucaryotes les plus spécios, avec une estimation de plus d’un million d’espèces (Pawlowski et al., 2012), il n’est pas surprenant que les apicomplexiens comprennent de nombreux parasites des animaux sauvages et domestiques (Chartier et Paraud, 2012). Les parasites apicomplexiens appartiennent taxonomiquement aux alvéolates, un groupe de protistes, qui comprend également les ciliés (Ciliophora), des protistes hétérotrophes généralement libres possédant de nombreux cils à la surface de leurs cellules et un système génétique unique de macro- et micronoyaux, et surtout des dinoflagellés phototrophes (Dinophyta), des algues avec divers plastes complexes qui ont une grande importance écologique dans les environnements aquatiques (Adl et al, 2012).

La plupart des apicomplexanes sont connus pour contenir un ensemble de structures caractéristiques, en particulier, le complexe apical et l’apicoplaste. Alors que le complexe apical, un appareil sophistiqué généralement composé du rink conoïde, des rhoptries et des micronèmes, est utilisé pour pénétrer dans la cellule hôte, l’apicoplaste représente un plastide secondaire non photosynthétique dérivé d’un organite putativement photosynthétique. Ce plastide résiduel est entouré de quatre membranes, ce qui reflète son origine complexe dans un événement endosymbiotique secondaire ou tertiaire (examiné dans Foth et McFadden, 2003 ; Lim et McFadden, 2010 ; Oborník et al., 2009 ; Roos et al., 1999). Son génome est fortement réduit à un cercle d’ADN de 35 kb de long (Gardner et al., 1991 ; Kilejian, 1975) et ne contient aucune trace de gènes impliqués dans la photosynthèse. La structure du génome d’apicoplaste, le contenu de gène, et la synténie de gène sont tout à fait conservés parmi les apicomplexans, soutenant une origine unique de cet organelle autrefois photosynthétique (Denny et autres, 1998 ; Lang-Unnasch et autres, 1998). Cependant, tous les apicomplexanes ne sont pas porteurs d’un plastide. Il a été prouvé que les membres du genre Cryptosporidium, parasitant l’intestin des vertébrés y compris les humains, sont dépourvus d’apicoplaste (Abrahamsen et al., 2004 ; Xu et al., 2004 ; Zhu et al., 2000a). De plus, toutes les tentatives de détection de cet organite chez les eugrégarines, des apicomplexanes à ramification précoce avec des cellules énormes associées aux hôtes invertébrés, ont également échoué (Toso et Omoto, 2007). Selon la phylogénie moléculaire (Carreno et al., 1999 ; Zhu et al., 2000b) et certaines synapomorphies morphologiques (Valigurová et al., 2007), les deux groupes susmentionnés semblent être étroitement liés. Nous supposons que ces apicomplexanes ont perdu leur plaste peu après son acquisition, avant que l’organite ne soit fermement établi et indispensable à la survie du parasite (Oborník et al., 2009).

Pour autant, l’apicoplaste a été trouvé dans les groupes de parasites apicomplexanes les plus riches en espèces et les plus répandus, tels que les Coccidia, les Piroplasmida et les Haemosporidia (Lim et McFadden, 2010 ; Oborník et al., 2009). Chez le Plasmodium falciparum, qui a été le mieux étudié, il a été démontré que ce plaste relique est essentiel pour la cellule, sa perturbation entraînant ce que l’on appelle l’effet de mort différée (Fichera et al., 1995 ; He et al., 2001 ; Pfefferkorn et al., 1992 ; Ramya et al., 2007). L’apicoplaste représente donc une nouvelle cible prometteuse, voire un proverbial talon d’Achille de ces pathogènes (Jomaa et al., 1999 ; McFadden et Roos, 1999 ; Soldati, 1999 ; Wiesner et Jomaa, 2007 ; Wiesner et al., 2008). La découverte de cet organite a conduit à la suggestion révolutionnaire que ces parasites hétérotrophes avaient évolué à partir d’un ancêtre phototrophe, en particulier une algue abritant un plastide complexe (McFadden et al., 1996). Bien que l’apicoplaste ait apparemment perdu la fonction principale du plaste et ne soit donc plus photosynthétique, plusieurs voies métaboliques probablement essentielles ont encore lieu dans cet organite, comme la biosynthèse de l’hème (Kořený et al., 2011, 2013 ; van Dooren et al., 2012 ; Wilson, 2002 ; Williams et Keeling, 2003), la synthèse des acides gras (Goodman et McFadden, 2008), ou la voie de synthèse des isoprénoïdes non-mévalonates (Jomaa et al., 1999 ; revue par Ralph et al., 2004). Il a été proposé que la voie de biosynthèse de l’hème (tétrapyrrole) joue un rôle important dans les pertes de plastes, dont on sait qu’elles sont fréquentes, notamment au cours de l’évolution des alvéoles et des straménopiles (Barbrook et al., 2006 ; Kořený et al., 2011, 2012 ; Kořený et Oborník, 2011). En fait, une attention considérable a été accordée à la voie de l’hème lors de la recherche d’une cible médicamenteuse antipaludique appropriée (Seeber et Soldati-Favre, 2010 ; van Dooren et al., 2012). Cependant, il a été démontré récemment par un élégant sauvetage chimique de Plasmodium libéré de l’apicoplaste que pour ses stades érythrocytaires (= flux sanguins), le seul composé véritablement essentiel produit par l’apicoplaste est l’isopentényl pyrophosphate, un produit de la voie isoprénoïde non-mévalonate (Yeh et DeRisi, 2011).

Bien que grâce au nombre de membranes entourant l’apicoplaste, il était évident qu’il s’agit d’un plaste complexe provenant d’un événement endosymbiotique au moins secondaire (Köhler et al…, 1997 ; McFadden et al., 1996), son origine particulière au sein de la lignée des plastes verts ou rouges est restée longtemps inconnue. Jusqu’à présent, on ne connaissait que deux groupes d’algues à plastide vert secondaire, à savoir les Euglenophyta et Chlorarachniophyta photosynthétiques, appartenant respectivement aux excavés et aux rhizariens. Ces deux groupes de protistes sont censés avoir acquis leurs plastes relativement récemment (Archibald, 2012). Tous les autres groupes d’algues connus pour abriter des plastes secondaires, tels que Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta et Haptophyta, les ont obtenus via une relation endosymbiotique avec une algue rouge. Cependant, même au sein des dinoflagellés, un groupe riche en espèces d’algues alvéolées possédant principalement un plaste secondaire rouge, deux espèces (Lepidodinium viride et L. chlorophorum) avec le plaste secondaire vert ont été décrites (Takishita et al., 2008 ; Watanabe et al., 1990). Avant la découverte des chromérides (Moore et al., 2008), les dinoflagellés représentaient, en raison de leur position sœur par rapport aux Apicomplexa, les plus proches parents phototrophes connus de ces parasites obligatoires (Zhang et al., 2000). Malheureusement, étant donné que l’apicoplaste a perdu toutes ses fonctions photosynthétiques et que le génome du plaste pigmenté à la péridinine des dinoflagellés a été réduit à un ensemble extrêmement restreint de gènes photosynthétiques (Barbrook et Howe, 2000 ; Green, 2004 ; Zhang et al., 1999), les génomes plastidiques de ces alvéolés apparentés ne se chevauchent pratiquement pas (Keeling, 2008) et ne peuvent donc faire l’objet d’une comparaison significative. Les seuls gènes partagés par les deux groupes sont ceux codant pour les ARNr ; cependant, leur extrême richesse en AT et leur divergence rendent une analyse phylogénétique fiable très discutable (Dacks et al., 2002 ; Howe, 1992 ; Oborník et al., 2002 ; Zhang et al., 2000). Par conséquent, de nombreuses analyses phylogénétiques des gènes apicoplastes ont conduit à des résultats contradictoires. Alors que les analyses basées sur le gène tufA soutenaient l’origine de l’apicoplaste au sein de la lignée verte (Egea et LangUnnasch, 1995 ; Köhler et al., 1997), d’autres auteurs ont suggéré son origine en dehors de la lignée verte (Blanchard et Hicks, 1999) ou au sein de la lignée des plastes rouges (Williamson et al., 1994). Cette dernière origine est soutenue par la structure de l’opéron superplastique du génome de l’apicoplaste, le gène synténie, qui est homologue aux génomes des plastes rouges plutôt qu’aux verts (Blanchard et Hicks, 1999 ; McFadden et Waller, 1997 ; Stoebe et Kowallik, 1999 ; Zhang et al., 2000). Malgré cela, le scénario vert est revenu dans le jeu, lorsque les gènes cox2 à division unique ont été trouvés dans les génomes nucléaires des apicomplexanes et des légumineuses (Funes et al., 2002). Cependant, d’autres chercheurs ont montré qu’un tel arrangement était déjà présent chez les ciliés et qu’il avait manifestement évolué plusieurs fois au cours de l’évolution (Waller et Keeling, 2006 ; Waller et al., 2003). La phylogénie ambiguë de l’apicoplaste reflète l’extrême divergence de ses gènes à évolution rapide. En effet, le contenu en AT des gènes de l’apicoplaste de P. falciparum peut atteindre 97% et les analyses phylogénétiques de ces séquences biaisées sont fortement affectées par divers artefacts phylogénétiques, notamment le phénomène d’attraction des longues branches (Dacks et al…, 2002).

Cependant, la découverte d’un nouveau groupe d’alvéoles photosynthétiques appelé Chromerida a représenté une véritable percée à cet égard (Moore et al., 2008 ; Oborník et al., 2012). Ces algues contiennent des génomes plastidiques relativement conservés dont le répertoire de gènes chevauche ceux des plastides des apicomplexanes et des dinoflagellés. De plus, il a été démontré sans ambiguïté que le plaste des chromérides est le parent phototrophe connu le plus proche de l’apicoplaste. L’accumulation de preuves dérivées des gènes codés par le noyau a en outre montré que les chromérides partagent un ancêtre commun avec les Apicomplexa (Janouškovec et al., 2010 ; Kořený et al., 2011 ; Moore et al., 2008 ; Oborník et al., 2009).