| Focus 1/3 | Symbiose et évolution : à l’origine de la cellule eucaryote

LUCA, LECA et les ancêtres communs de l’arbre du vivant

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Tous les êtres vivants sur Terre partagent une origine commune. Pour comprendre l’histoire de la vie sur Terre, les biologistes ont reconstitué plusieurs ancêtres communs hypothétiques. Les deux plus importants sont LUCA (Dernier Ancêtre Commun Universel) et LECA (Dernier Ancêtre Commun des Eucaryotes). D’autres ancêtres, plus spécialisés, ont également été proposés [1], mais LUCA et LECA sont les repères essentiels. La figure 1 situe LUCA et LECA sur la grande chronologie de l’évolution du vivant (Figure 1) [2].

1. LUCA : le Dernier Ancêtre Commun Universel

Figure 1. Arbre chronologique reconstruit en utilisant une méthode statistique de datation des nœuds (avec validation croisée). L’analyse repose sur un ensemble de données partitionnées comprenant cinq gènes paralogues (gènes qui proviennent de la duplication d’un autre gène au sein d’un même génome. Après cette duplication, les deux copies évoluent indépendamment et peuvent acquérir des fonctions différentes) plus anciens que le LUCA. Sigles, voir ref. [1]. Les étoiles violettes indiquent les nœuds dont la datation a été calibrée avec des fossiles. Abréviations :  Arc = Archées, Bac = Bactéries, Euk = Eucaryotes. [Source Figure 1 de la ref. Moody et al [1], licence CC BY 4.0]
LUCA représente le dernier ancêtre commun à tous les organismes cellulaires actuels : les Bactéries, les Archées et les Eucaryotes.  (Figure 1). Selon une étude récente [1], LUCA vivait il y a environ 4,2 milliards d’années (± 120 millions d’années). À cette époque, la Terre était encore jeune, marquée par un environnement hostile du début de l’Archéen (ou fin de l’Hadéen).

Pour estimer cet âge, les chercheurs ont comparé des gènes très anciens présents dans tous les organismes actuels. Les différences accumulées au cours du temps servent d’« horloge moléculaire », ce qui permet d’estimer l’âge de leur ancêtre commun.

La nature du métabolisme du LUCA reste débattue. Certaines hypothèses lui attribuent déjà la plupart des grandes voies métaboliques, tandis que d’autres décrivent un organisme plus simple, encore très dépendant de son environnement géochimique. Les reconstructions récentes, fondées sur la phylogénomique et les horloges moléculaires, suggèrent que LUCA possédait déjà un génome relativement complexe d’environ 2 500 à 2 600 gènes, soit une taille comparable à celle de nombreux procaryotes modernes. Il possédait déjà plusieurs voies métaboliques complexes lui permettant de produire son énergie en absence d’oxygène, notamment par acétogenèse. Il vivait probablement au sein d’une communauté microbienne primitive plutôt qu’en solitaire.

LUCA n’était pas le tout premier être vivant, il correspond à la population ancestrale dont sont issues les lignées qui donneront ensuite naissance aux Bactéries et aux Archées.

2. LECA : le Dernier Ancêtre Commun des Eucaryotes

Beaucoup plus tardif, LECA marque un tournant majeur dans l’histoire de la vie : le passage d’une organisation procaryote relativement simple à la complexité eucaryote a complexité eucaryote qui ouvrira, plusieurs centaines de millions d’années plus tard, la voie à l’évolution des organismes multicellulaires (animaux, plantes, champignons, protistes…). Son origine résulte très vraisemblablement d’une association étroite entre une archée du groupe Asgard et une bactérie (Lire Symbiose et évolution : à l’origine de la cellule eucaryote).

Dans LECA les traits fondamentaux des eucaryotes étaient déjà fixés et transmis aux lignées descendantes, ce qui s’est produit il y a environ 1,5 à 1,8 milliards d’années. Les chercheurs déduisent ces caractéristiques en comparant les génomes d’eucaryotes très éloignés les uns des autres [3],[4],[5]. Contrairement à ce que l’on imaginait autrefois, LECA n’était pas une cellule primitive. Il possédait déjà l’essentiel des caractéristiques des cellules eucaryotes modernes :

  • Un noyau avec des chromosomes linéaires et une machinerie sophistiquée de transcription et d’épissage de l’ARN [3],[6].
  • Un cytosquelette complexe fait d’actine, de tubuline et de protéines motrices [3].
  • Un système endomembranaire (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, vésicules).
    Figure 2. Caractéristiques cellulaires dont on suppose qu’elles étaient présentes chez le LECA. A. Représentation générale de LEA ; B, quelques propriétés fonctionnelles du noyau ; C, fonctions présentes dans la mitochondrie. Les éléments numérotés correspondent à la légende de l’article original. [Source figure 2 de la ref [5], © 2024 Richards et al, licence CC BY 4.0]
  • La capacité à effectuer la phagocytose (ingestion de particules).
  • Des mitochondries issues d’une bactérie alphaprotéobactérie endosymbiotique.
  • Les mécanismes de la mitose, de la méiose et d’une forme de reproduction sexuée.

La figure 2 illustre quelques-unes des nombreuses structures cellulaires que les chercheurs pensent déjà présentes chez LECA. Richards et al. [5]  ont réalisé une synthèse consensuelle qui fait le point sur l’état des connaissances et propose un cadre méthodologique communautaire pour reconstruire le répertoire génétique du LECA. Cet ensemble constitue un outil utile pour évaluer les différentes hypothèses concernant l’origine des eucaryotes et comprendre l’évolution des caractères dans toutes les lignées descendantes, ce qui présente un intérêt dans divers domaines tels que la biologie cellulaire, l’écologie microbienne, les biotechnologies, l’agriculture et la médecine.

3. LUCA et LECA en trois idées

  • LUCA (≈ 4,2 milliards d’années) est le dernier ancêtre commun de tous les êtres vivants cellulaires actuels
  • LECA (≈ 1,5–1,8 milliard d’années) est le dernier ancêtre commun de tous les eucaryotes (animaux, plantes, champignons et protistes).
  • Entre LUCA et LECA, plus de deux milliards d’années d’évolution ont conduit de cellules procaryotes ancestrales à la cellule eucaryote complexe, à l’origine de toute la diversité des organismes multicellulaires.

Ces concepts ne cessent d’être affinés grâce aux nouvelles découvertes (génomes d’archées Asgard, améliorations des méthodes bioinformatiques). Plus nous découvrons de nouveaux génomes, plus l’histoire de la vie apparaît comme celle d’une immense parenté. LUCA et LECA ne sont pas de simples sigles : ils représentent deux étapes majeures de cette histoire commune qui relie toutes les formes de vie actuelles.

Ces découvertes montrent à quel point la vie sur Terre est unifiée et ancienne. Elles soulèvent aussi une question fascinante : comment la vie a-t-elle pu apparaître et se complexifier aussi rapidement après la formation de notre planète ?

Notes & références

Vignette. [Schéma EEnv]

[1] LUCA (Last Universal Common Ancestor) : Dernier Ancêtre Commun Universel – LACA (Last Archeal Common Ancestor): Dernier Ancêtre Commun des Archées – LBCA (Last Bacterial Common Ancestor): Dernier Ancêtre Commun des Bactéries – LECA (Last Eucaryotic Common Ancestor): Dernier Ancêtre Commun des Eucaryotes – Mito-LECA (Last mitochondrial lineage Common Ancestor) : Dernier Ancêtre Commun de la lignée des mitochondries, LPCA (Last Plastidial Common Ancestor) : Dernier Ancêtre Commun des organismes porteurs de plastes.

[2] Moody, E.R.R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T.A. et al. (2024). The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol 8, 1654–1666. https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1

[3] Cox R, Papoulas O, Shril S … (2026). A protein interactome for the last eukaryotic common ancestor illuminates the biochemical basis of modern genetic diseases. Cell Genomics ; 6

[4] Koumandou, V. L., Wickstead, B., Ginger, M. L., van der Giezen, M., Dacks, J. B., & Field, M. C. (2013). Molecular paleontology and complexity in the last eukaryotic common ancestor. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 48(4), 373–396. https://doi.org/10.3109/10409238.2013.821444

[5] Richards TA, Eme L, Archibald JM, Leonard G, Coelho SM, et al. (2024). Reconstructing the last common ancestor of all eukaryotes. PLoS Biol. Nov 25;22(11):e3002917. doi: 10.1371/journal.pbio.3002917. PMID: 39585925; PMCID: PMC11627563.

[6] Koonin EV. (2006). The origin of introns and their role in eukaryogenesis: a compromise solution to the introns-early versus introns-late debate? Biol Direct. 1:22. doi: 10.1186/1745-6150-1-22. PMID: 16907971; PMCID: PMC1570339.