Discussion

Les résultats de cette étude démontrent pour la première fois le rôle clé de la synthèse de l’ergostérol dans la résistance des levures aux traitements de séchage/humidification (Fig. 2). Le remplacement du zymostérol, le stérol le plus précoce de l’EBP qui a été testé dans cette étude (souche erg6Δ), par l’ergostérol a permis de restaurer la résistance au niveau observé avec la souche WT (Tableau 2). Les principales transformations chimiques qui interviennent au cours du processus de biosynthèse du zymostérol à l’ergostérol sont une modification de la saturation du cycle B et de la queue aliphatique (Fig. 1B). Ces modifications graduelles pourraient contribuer à l’optimisation des propriétés biophysiques des molécules aux étapes successives du processus EBP et pourraient expliquer l’augmentation de la résistance aux cycles de séchage/mouillage. Nos résultats montrent que les trois mutants les plus précoces testés (erg6Δ, erg2Δ, et erg3Δ) sont très sensibles au séchage/mouillage. La première rupture dans l’augmentation de la résistance le long de l’EBP a été détectée avec la souche erg5Δ. Celle-ci a progressivement augmenté avec erg4Δ pour atteindre une valeur maximale avec la souche WT (Fig. 2). Les structures chimiques des principaux stérols accumulés par ces trois dernières souches sont caractérisées par la présence de deux doubles liaisons dans le cycle B (Fig. 1B). Lors d’une attaque radicalaire, ces doubles liaisons conjuguées permettent la stabilisation des radicaux stérols par résonance (délocalisation de l’électron non apparié). Cette caractéristique chimique pourrait expliquer l’effet bénéfique sur la survie au séchage/humidification, qui implique une oxydation (Garre et al. 2010), en protégeant les phospholipides contre la peroxydation de la même manière que la vitamine E (Packer 1991). Les principaux stérols accumulés par les trois souches présentant des mutations précoces dans l’EBP possèdent une double liaison C-C unique en position C-7,8 ou C-8,9, loin du groupe hydroxyle, qui ne favorise pas la stabilisation du radical par résonance. Cela pourrait expliquer la grande sensibilité des souches erg6Δ, erg2Δ et erg3Δ au séchage sous air atmosphérique. L’augmentation progressive de la résistance vers l’extrémité de l’EBP (Fig. 2), observée avec les souches erg5Δ, erg4Δ et WT, pourrait être liée à la différence entre les queues aliphatiques des stérols (Fig. 1B). En effet, la structure de la queue affecte la planéité des stérols, ce qui est un déterminant de leur position dans la membrane (Xu et London 2000 ; Bakht et London 2006). Ainsi, les étapes finales de la voie de l’ergostérol pourraient permettre une meilleure adaptation du stérol dans la membrane, en modifiant des paramètres tels que leur profondeur dans la bicouche lipidique, afin d’optimiser la protection des phospholipides contre l’oxydation. La protection des lipides contre l’oxydation médiée par les stérols a déjà été montrée sur des membranes modèles (Wiseman 1993) mais n’a jamais été démontrée sur des cellules biologiques. Nos résultats montrent, pour la première fois, une relation entre la nature des stérols et la résistance à l’oxydation. Ils soutiennent également une hypothèse selon laquelle les stérols auraient pu conférer aux cellules une résistance à l’oxydation lorsque les niveaux d’oxygène ont augmenté pendant l’oxygénation de la Terre (Galea et Brown 2009 ; Brown et Galea 2010). En effet, les auteurs de cette étude concluent que la synthèse des stérols, un processus dépendant de l’oxygène (Fig. 1A), pourrait avoir été une réponse adaptative à l’augmentation de l’oxygène terrestre.

Les expériences de séchage réalisées sous azote ont conduit à des taux de survie plus élevés que les expériences de séchage à l’air pour toutes les souches testées (Fig. 2). L’effet de l’absence d’oxygène pendant le séchage était fort pour les souches avec des mutations dans les premiers composants de l’EBP, diminuait pour celles avec des mutations dans les composants ultérieurs de l’EBP, et était mineur pour la souche WT. Ces résultats montrent que l’oxydation joue un rôle majeur dans l’effet létal du séchage dans des conditions atmosphériques. Cependant, comme le taux de mortalité est resté important pour erg6Δ, erg2Δ, erg3Δ et erg5Δ lorsque le séchage a été effectué sous azote, nous concluons que des facteurs autres que l’oxydation contribuent à la mort cellulaire pendant le séchage. L’un de ces facteurs pourrait être des contraintes mécaniques sévères sur la membrane plasmique résultant de la perte d’eau des cellules par transfert osmotique (Dupont et al. 2010). En effet, la nature des stérols est connue pour influencer les propriétés de la membrane plasmique telles que la fluidité (Abe et Hiraki 2009) et les types de déformation (Bacia et al. 2005 ; Dupont et al. 2011). Ces modifications des propriétés membranaires ont conduit à la rupture de la membrane plasmique et à la mort cellulaire lors d’un stress hyperosmotique chez la souche erg6Δ mais pas chez la WT (Dupont et al. 2011). La relation entre la nature du stérol prédominant et les propriétés membranaires repose sur la structure de la molécule de stérol, notamment sa structure planaire, sa taille et les propriétés de son petit groupe polaire 3-OH (Xu et London 2000). En particulier, la double liaison C-7,8 du cycle B du stérol, uniquement présente dans les souches erg5Δ, erg4Δ et WT (Fig. 1B), est connue pour être impliquée dans l’emballage et la rigidité globale de la membrane plasmique (Xu et London 2000 ; Bakht et London 2006). Ainsi, l’évolution de la structure chimique des stérols dans l’EBP pourrait à la fois améliorer les rôles d’antioxydant et de stabilisateur mécanique de ces molécules dans la membrane plasmique et expliquer l’augmentation progressive le long de l’EBP de la résistance des souches de levure au séchage/mouillage.

Dans des conditions classiques de laboratoire, la nature des stérols n’a aucun effet sur la croissance des levures. En effet, les souches WT et ergΔ ont poussé avec la même cinétique sur milieu complet (données non présentées). L’accumulation d’autres stérols (cholestérol, desmostérol ou campestérol) par les levures, induite par transformation génétique, n’affecte pas la croissance cellulaire (Souza et al. 2011). Ainsi, la nature des stérols est cruciale pour les cellules en conditions de stress. Le fait que la progression vers le bas de l’EBP augmente la résistance des levures aux événements de séchage/humidification établit un lien potentiel entre cette voie et la capacité des champignons à survivre dans les habitats interfaciaux. Ce résultat a des implications importantes pour l’hypothèse de Bloch, qui est basée sur l’observation que les voies stéroliques sont parallèles à l’évolution des stérols et que le produit de chaque étape devrait mieux soutenir les fonctions cellulaires et physiologiques que ses précurseurs (Bloch 1983). Cependant, cette hypothèse, qui a principalement été testée pour la fonction structurelle des stérols, n’a jamais été soutenue par des faits expérimentaux. Par exemple, dans la voie du cholestérol, il a été montré que certains précurseurs sont plus efficaces que le cholestérol pour la stabilisation des radeaux dans une membrane modèle (Bakht et London 2006). L’implication de l’ergostérol dans la résistance des levures aux événements de séchage/mouillage pourrait être à l’origine de l’évolution de l’EBP et de la présence généralisée de l’ergostérol chez les champignons terrestres (Weete et al. 2010). En effet, l’évolution de la structure chimique des stérols dans l’EBP pourrait à la fois avoir amélioré les rôles d’antioxydant et de stabilisateur mécanique de ces molécules dans la membrane plasmique et expliquer l’augmentation progressive le long de l’EBP de la résistance des souches de levure au séchage/mouillage. Cette étude, réalisée dans un contexte cellulaire, fournit les premières données expérimentales soutenant l’hypothèse de Bloch.

En dépit du rôle majeur que semble jouer l’ergostérol dans la persistance des levures dans leur environnement naturel, Weete et al, qui se sont penchés sur la question de la diversité des stérols chez les champignons, ont montré que l’ergostérol n’est pas le seul stérol de ce règne (Weete et al. 2010). Les résultats de cette étude soutiennent l’idée que le cholestérol peut être considéré comme le stérol fongique le plus primitif, et que l’évolution de la structure spécifique de l’ergostérol a été motivée par des exigences fonctionnelles propres aux champignons en évolution. En effet, les champignons primitifs qui accumulent le cholestérol sont flagellés et vivent dans un milieu aquatique (James et al. 2006 ; Weete et al. 2010) où l’hydratation est maximale et stable. Ceci est cohérent avec le fait que le cholestérol est un stabilisateur mécanique efficace (Bakht et London 2006) ; bien qu’il soit moins efficace comme antioxydant que l’ergostérol (Wiseman 1993) (le cholestérol ne possède qu’une seule double liaison dans le cycle B), il est moins coûteux énergétiquement à produire (Parks et Casey 1995). Ces données, réunies avec les résultats de la présente étude, pourraient signifier que la synthèse de l’ergostérol confère un avantage important pour la survie des champignons supérieurs et la colonisation des habitats interfaciaux solide-air.

Nous concluons que la survie au séchage et à l’humidification est facilitée chez la levure, un eucaryote unicellulaire incapable de maintenir l’homéostasie de l’eau, par l’ergostérol. Ce composant essentiel, spécifique aux membranes des champignons, augmente la résistance aux contraintes mécaniques et à l’oxydation causée par l’évaporation de l’eau et l’exposition directe à l’air atmosphérique. Par conséquent, l’évolution de l’EBP pourrait avoir été un élément clé dans la conquête des habitats interfaciaux solide-air par les champignons. Les résultats de cette étude suggèrent une réponse à la question persistante « pourquoi l’ergostérol chez les champignons ? ». (Parks et Casey 1995). Les mécanismes liés à ces résultats devraient être approfondis dans des expériences futures. À cette fin, nous étudions actuellement les propriétés moléculaires de l’ergostérol dans la membrane plasmique afin d’élucider les mécanismes par lesquels l’ergostérol préserve la membrane des altérations chimiques et physiques causées par le séchage à l’air et le mouillage. Les applications attendues comprennent l’optimisation des méthodes basées sur le séchage pour la préservation des cellules eucaryotes et le développement de nouvelles stratégies pour la destruction des champignons impliqués dans de nombreuses activités pathogènes et d’altération des aliments.