1. Une hypothèse audacieuse

L’idée que certains organites eucaryotes proviendraient de bactéries englobées par phagocytose date du début du XXᵉ siècle. Le botaniste russe Konstantin Mereschkowski propose dès 1905 que les chloroplastes seraient des cyanobactéries devenues symbiotes. Mais cette idée reste marginale pendant plus de 60 ans, considérée comme spéculative par la communauté scientifique.

C’est la biologiste américaine Lynn Margulis qui, en 1967, fait revivre cette hypothèse en lui apportant des arguments solides et en l’élargissant aux mitochondries. Son article fondateur (« On the origin of mitosing cells », publié dans Journal of Theoretical Biology) est initialement rejeté par 15 revues avant publication. Aujourd’hui, la théorie endosymbiotique est universellement acceptée et constitue un pilier de la biologie évolutive.

2. Le scénario évolutif

D’après cette théorie, l’histoire de la cellule eucaryote moderne s’est déroulée en plusieurs étapes, sur près de 2 milliards d’années :

1. Apparition des premières bactéries (procaryotes) il y a ~3,8 milliards d’années
2. Apparition d’une cellule ancestrale eucaryote (probablement issue d’une archée), capable de phagocytose, il y a ~2 milliards d’années
3. Cette cellule ancestrale phagocyte une α-protéobactérie aérobie, qui au lieu d’être digérée, persiste dans son cytoplasme et établit avec elle une coopération : l’α-protéobactérie utilise le dioxygène pour produire de l’ATP qu’elle partage avec la cellule hôte, tandis que la cellule lui fournit nutriments et abri
4. Au fil des générations, l’α-protéobactérie perd son autonomie et devient une mitochondrie — organite indissociable de la cellule eucaryote
5. Bien plus tard, une cellule ayant des mitochondries phagocyte une cyanobactérie photosynthétique, devenue le chloroplaste des plantes (étudié en Leçon 3.3)

3. Les arguments scientifiques de la théorie endosymbiotique

Quatre arguments majeurs étayent la théorie. Ils sont reproductibles, observables, et convergent tous vers la même conclusion : la mitochondrie est l’héritière d’une bactérie ancestrale.

3.1 Argument 1 — La double membrane

La mitochondrie possède deux membranes superposées et distinctes, et non pas une seule comme la majorité des autres organites. Ce trait n’est explicable que dans le cadre de la théorie endosymbiotique :

• La membrane interne dérive directement de la membrane de la bactérie ancestrale phagocytée
• La membrane externe dérive de la membrane du phagosome formé par la cellule hôte lors de la phagocytose

Aucune autre théorie ne rend compte aussi simplement de cette caractéristique structurelle.

3.2 Argument 2 — L’ADN propre, circulaire et bactérien

La mitochondrie possède son propre ADN, distinct de l’ADN nucléaire de la cellule. Et cet ADN présente des caractéristiques typiquement bactériennes :

• Forme circulaire (et non linéaire comme les chromosomes nucléaires des eucaryotes)
• Pas d’histones associés
• Organisation en opérons (groupes de gènes co-transcrits)
• Code génétique légèrement différent du code génétique nucléaire — plus proche de celui des bactéries

Cet ADN circulaire bactérien à l’intérieur d’une cellule eucaryote est l’empreinte ADN de l’origine bactérienne.

3.3 Argument 3 — Les ribosomes 70S de type bactérien

La mitochondrie possède ses propres ribosomes, distincts de ceux qui se trouvent dans le cytoplasme de la cellule. Ces ribosomes mitochondriaux sont de type 70S — la même structure que les ribosomes bactériens. Or les ribosomes cytoplasmiques de toutes les cellules eucaryotes sont de type 80S, structurellement différents.

Cette différence est si nette que certains antibiotiques (comme la streptomycine) ciblent spécifiquement les ribosomes 70S — ils tuent donc les bactéries, mais ont aussi des effets secondaires sur la fonction mitochondriale humaine, ce qui est cohérent avec l’origine bactérienne de la mitochondrie.

3.4 Argument 4 — La division indépendante

Les mitochondries se divisent indépendamment du cycle cellulaire de la cellule hôte. Leur division ressemble à une division bactérienne (scissiparité, fission binaire) : la mitochondrie s’allonge puis se constricte en son milieu pour former deux mitochondries-filles. C’est une caractéristique qu’aucun autre organite cellulaire ne partage.

Quand une cellule eucaryote se divise, ses mitochondries se répartissent entre les deux cellules-filles, qui les multiplient ensuite par division indépendante pour atteindre leur population mitochondriale d’équilibre.

4. La mitochondrie aujourd’hui : un organite vital

Au-delà de son histoire évolutive, la mitochondrie est devenue indispensable à la cellule eucaryote. C’est elle qui réalise la respiration cellulaire : oxydation des nutriments (glucose, lipides…) en présence de dioxygène, avec production massive d’ATP, la « monnaie énergétique » de la cellule. Une cellule animale typique contient des centaines à des milliers de mitochondries, et certaines cellules très actives énergétiquement (cellules musculaires cardiaques par exemple) en contiennent encore plus.

5. Une « domestication » presque complète

Au cours des ~1,5 milliard d’années qui se sont écoulées depuis l’endosymbiose initiale, l’α-protéobactérie ancestrale a profondément évolué. La majorité de ses gènes ont été transférés au noyau de la cellule hôte (un mécanisme de transfert horizontal interne, en quelque sorte). L’ADN mitochondrial actuel ne porte plus que quelques dizaines de gènes (37 chez l’humain), tous indispensables au fonctionnement mitochondrial. Les autres protéines mitochondriales sont codées par le noyau, traduites dans le cytoplasme, puis importées dans la mitochondrie.