Selon l’Organisation mondiale de la santé, les moustiques sont les animaux les plus mortels sur Terre. Les maladies qu’ils transmettent à l’homme, notamment le paludisme, le Zika, le Nil occidental, le chikungunya et la dengue, sont responsables d’environ 725 000 décès chaque année. Les insectes utilisent des signaux olfactifs pour localiser les humains avec une précision infaillible, préférant se nourrir de sang sur les humains plutôt que sur d’autres animaux, et ainsi les moyens par lesquels ils détectent la présence humaine sont devenus l’objet d’investigations scientifiques.
Il y a plus de dix ans, Leslie Vosshall, chercheuse au Howard Hughes Medical Institute (HHMI), s’est concentrée sur la compréhension du système olfactif des moustiques dans le but de trouver des moyens d’atténuer l’étrange capacité de l’insecte à localiser des proies humaines. «Je voulais faire quelque chose qui pourrait enthousiasmer le public», dit-elle. Et son nouveau travail allait en effet avoir un impact majeur – mais pas celui qu’elle avait prévu. Vosshall décrit les résultats comme « une surprise énorme et stupéfiante ».
Les moustiques détectent les signaux chimiques à l’aide de récepteurs d’odeurs situés sur les cellules nerveuses (neurones) situées sur les antennes et certaines pièces buccales. L’idée acceptée, basée sur les recherches sur les souris menées par Linda Buck (maintenant au Fred Hutchinson Cancer Center) et Richard Axel de Columbia, lauréates du prix Nobel, était que les systèmes de détection des odeurs chez les animaux sont extrêmement spécialisés et organisés. Chaque neurone olfactif possède un seul type de récepteur, qui détecte une odeur spécifique et se connecte ensuite à une seule structure (appelée glomérule) dans le bulbe olfactif du cerveau.
Selon ce paradigme, un moustique devrait avoir des neurones séparés qui détectent l’odeur du corps humain et la présence de dioxyde de carbone expiré (CO2), et il pourrait être simple de désactiver ces neurones particuliers et de rendre les moustiques insensibles aux signaux humains. C’est du moins ce que pensaient les chercheurs. «En tant que domaine, nous avons été tellement influencés par Buck et Axel», explique Vosshall (qui était étudiant postdoctoral dans le laboratoire d’Axel). « C’étaient les règles. »
Dans un premier temps, les chercheurs ont analysé l’ADN du génome complet d’un moustique suceur de sang, ce qui n’avait pas encore été entrepris. « Personne n’avait procédé à l’édition du génome auparavant, en partie parce que le génome était très fragmenté », explique Vosshall. Ensuite, Meg Younger, ancienne postdoctorante du laboratoire, a tenté de répondre à une question déroutante. Les moustiques sont attirés à la fois par le CO2 que les gens expirent et aux odeurs corporelles humaines.
« Mais il y a quelque chose de magique dans l’addition de ces deux ingrédients, où un plus un égale vingt », dit-elle. Lorsque les deux signaux olfactifs sont présents ensemble, les insectes deviennent très excités et concentrés, et ils commencent à chasser férocement les humains. C’est comme si les deux stimuli s’amplifiaient d’une manière ou d’une autre dans le système olfactif.
Afin de comprendre ce qui se passait, Younger a tenté d’identifier quels neurones olfactifs répondaient au CO.2 et qui détecte les odeurs corporelles, puis retrace les chemins des signaux vers le cerveau. Elle a utilisé l’outil d’édition génétique CRISPR pour insérer une protéine marqueur fluorescente dans les neurones dotés de récepteurs pour le CO.2 et un autre marqueur dans ceux qui pourraient détecter les produits chimiques provenant des odeurs corporelles. C’est alors que la recherche a pris une tournure inattendue. «C’était comme Alice au pays des merveilles – où rien n’a de sens», dit Vosshall.
Les résultats, publiés dans la revue Cellule, montrent quelque chose de tout à fait nouveau dans le monde des systèmes olfactifs. Les gènes des récepteurs fluorescents ont indiqué que les neurones individuels ne portaient pas uniquement des récepteurs pour un signal chimique, comme on le pensait auparavant. Au lieu de cela, les neurones regorgeaient de plusieurs types différents de récepteurs. Nous avons constaté que « toutes les règles de Buck et Axel ont été jetées à la poubelle par les moustiques », explique Vosshall.
Les résultats ont été si surprenants que le laboratoire de Vosshall a passé des années à prouver minutieusement qu’ils étaient réellement réels, en utilisant plusieurs éléments de preuve supplémentaires. Par exemple, Olivia Goldman, doctorante au laboratoire, a exploité une technique relativement nouvelle et révolutionnaire appelée séquençage d’ARN à noyau unique (snRNA-seq) pour sonder quels gènes sont activés dans des neurones individuels. L’approche a confirmé que chaque cellule neuronale utilise effectivement de nombreux types différents de récepteurs.
En outre, les chercheurs se sont associés à des scientifiques de l’Université suédoise des sciences agricoles, qui avaient mené des recherches révolutionnaires en utilisant des électrodes insérées dans des neurones olfactifs individuels chez les moustiques. Cette méthode a également confirmé qu’un seul neurone de moustique peut détecter différentes odeurs – même deux « saveurs » différentes d’odeur corporelle, une odeur de parfum et une odeur de pied nauséabonde, qui nécessitent deux classes de récepteurs totalement différentes.
Ces résultats « ont été un immense soulagement », déclare Vosshall. Elle s’attendait à un scepticisme généralisé quant à ses conclusions, « donc le nombre de niveaux de preuves que nous avons utilisés pour le prouver était intense », dit-elle. En fait, de nombreux scientifiques ont d’abord contesté ces nouvelles découvertes. Mais non seulement les preuves à l’appui étaient accablantes, mais des conclusions similaires émergeaient également du laboratoire du neuroscientifique Christopher Potter à la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins.
Travaillant à la fois avec la mouche des fruits et une espèce de moustique, l’équipe de Potter a publié un article dans eLife en avril suggérant que « la co-expression des récepteurs chimiosensoriels est courante dans les neurones olfactifs des insectes ». Dans le passé, la sagesse conventionnelle selon laquelle un récepteur par odeur et un récepteur par neurone était si forte qu’il n’y avait aucune raison de rechercher plusieurs récepteurs, explique Potter. « Maintenant, nous savons qu’il faut le chercher. »
Les découvertes de Vosshall et de son équipe ont bouleversé le modèle conventionnel du circuit neuronal utilisé par les animaux pour détecter et distinguer des milliers d’odeurs distinctes. « C’est un gros problème », déclare Potter. « Cela change vraiment la façon dont nous pensons que le système olfactif des insectes fonctionne. »
La complexité supplémentaire du système olfactif des insectes est parfaitement logique en termes d’évolution, car les moustiques doivent trouver de la nourriture pour survivre. La présence de différents types de récepteurs d’odeurs sur chaque neurone améliore la capacité des insectes à détecter le CO expiré2 avec toute une gamme d’odeurs corporelles. Si certains récepteurs devaient être bloqués, un moustique en utiliserait simplement d’autres restés intacts.
« C’est un très bon truc », explique Vosshall. « Les moustiques ont plan B après plan B après plan B. Pour moi, le système est incassable. » Ce n’est évidemment pas une bonne nouvelle pour les efforts visant à réduire le nombre de maladies transmises par les moustiques, telles que le paludisme, la fièvre jaune et la dengue, en essayant de bloquer les récepteurs. Mais peut-être qu’une stratégie alternative pourrait consister à submerger l’ensemble du système d’odeurs alternatives, ajoute Potter. Au moins maintenant, « nous avons une vision plus réaliste de ce à quoi nous sommes confrontés », dit-il.
En attendant, Vosshall vise à comparer les neurones olfactifs des moustiques mangeurs de sang avec ceux de moustiques purement végétariens pour voir si la complexité plus extrême des récepteurs est une adaptation unique pour les espèces qui chassent uniquement les humains. Et quant à l’énigme que Vosshall a commencé à explorer : comment la détection combinée des deux CO2 et l’odeur corporelle amplifie considérablement le message au cerveau ? L’une de ses anciennes postdoctorantes, Meg Younger, s’attaque désormais à la question dans son nouveau laboratoire à l’Université de Boston.
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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur
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