Les défenses des bactéries révèlent des moyens d’améliorer la médecine personnalisée
Tous les organismes vivants utilisent leur système immunitaire pour lutter contre les attaques constantes des virus. Les bactéries consacrent une partie de leur génome au stockage de fragments d’ADN de virus, créant ainsi un registre d’envahisseurs potentiels. Lorsqu’un virus injecte son ADN dans la cellule bactérienne, le système immunitaire reconnaît l’ADN et le détruit. Ce système est connu sous le nom d’immunité CRISPR (pour «courtes répétitions en palindrome regroupées et régulièrement espacées»). Les virus ont développé plusieurs contre-mesures. Certains expriment des protéines anti-CRISPR pouvant bloquer la fonction des protéines CRISPR. D’autres détournent les protéines CRISPR de l’hôte à leurs propres fins. Les connaissances génétiques et biochimiques qui ont suivi la découverte des CRISPR ont conduit à Cas9, un outil révolutionnaire d’ingénierie du génome. Pourtant, des lacunes subsistent dans la connaissance du mécanisme d’adaptation sous-jacent des CRISPR. Le projet Anti-CRISPR, entrepris avec le soutien des Actions Marie Skłodowska-Curie et du Département Bionanoscience de l’Université technologique de Delft, a pour but de découvrir précisément comment les bactéries forment ces «registres» de virus. Leurs découvertes pourraient contribuer au développement de techniques d’enregistrement de l’ADN. «Cette course aux armements entre les systèmes CRISPR des bactéries hôtes et les gènes viraux anti-CRISPR représente l’évolution en action. Le fait de pouvoir enregistrer ces données pourrait permettre un traitement plus ciblé, notamment pour les infections telles que la COVID-19 et la grippe», explique Sungchul Kim, chercheur principal. Les travaux ont déjà été présentés dans «Nature».
Observer la course à l’armement entre le virus et l’hôte
Le processus moléculaire de l’immunité adaptative CRISPR comprend trois étapes principales. La première est l’adaptation, connue sous le nom d’acquisition d’espaceurs, dans laquelle les bactéries stockent des informations virales dans une matrice CRISPR qui peut être considérée comme un registre. Les deuxième et troisième étapes sont l’expression et l’interférence, qui produisent les protéines CRISPR-Cas pour détruire le virus. L’équipe a commencé par étudier la façon dont les protéines CRISPR coopérantes, Cas1-Cas2, sélectionnent des fragments d’ADN viral appropriés, appelés pré-espaceurs, pour faire la distinction entre le soi et le non-soi. Ils ont ensuite exploré la façon dont ces pré-espaceurs sont ensuite découpés en longueurs précises pour être intégrés dans la matrice CRISPR. Les interactions entre les protéines Cas1-Cas2 et les fragments d’ADN viral ont été visualisés grâce à une technique d’imagerie en temps réel: la fluorescence à molécule unique à résolution nanométrique. L’équipe a constaté que l’extrémité C-terminale des protéines Cas1-Cas2 était essentielle à la différenciation entre le soi et le non-soi. Ils ont également découvert que l’ADN polymérase III était l’enzyme responsable du découpage des pré-espaceurs. Cette enzyme est également connue pour son rôle dans l’élimination des erreurs dans le cadre de la réplication de l’ADN. «Nous ne nous attendions pas à ce qu’une enzyme synthétisant l’ADN soit impliquée dans la défense. Cela implique l’évolution de nombreuses machineries biologiques dans plusieurs processus», explique M. Kim. En outre, l’équipe a révélé que la liaison de l’extrémité C-terminale des Cas1-Cas2 à la signature ADN du virus, connue sous le nom de motif PAM (pour «protospacer adjacent motif»), permettait à la bactérie de stocker des fragments d’ADN viral dans son registre CRISPR. «Il est crucial que celui-ci soit tenu à jour pour lutter contre les virus qui ont muté leur ADN, afin d’échapper à l’immunité», ajoute M. Kim.
Dispositifs d’enregistrement de l’ADN
Les résultats du projet seront précieux pour le développement de nouvelles techniques d’enregistrement de l’ADN des cellules vivantes basées sur le CRISPR. «Les systèmes d’enregistrement temporel de l’ADN dans les cellules de mammifères, y compris de l’homme, se sont avérés infructueux. Nos résultats aident à définir la manière dont les séquences et les architectures d’ADN doivent être conçues pour construire un système dans lequel les informations sur les processus cellulaires peuvent être automatiquement stockées dans l’ADN de cette cellule», explique Chirlmin Joo, chercheur principal. Étant donné que les protéines Cas1 et Cas2 stockent les informations dans l’ordre chronologique, les maladies ou les infections pourraient alors faire l’objet d’ingénierie inverse. Par exemple, en prenant quelques cellules épithéliales respiratoires, un médecin pourrait consulter le «registre biologique» des cellules pour déterminer la façon dont s’est développé le tissu infecté par la COVID-19 ou la grippe, par exemple. Il pourrait ensuite utiliser ces données diagnostiques pour élaborer des plans de traitement sur mesure.
Mots‑clés
Anti-CRISPR, génome, virus, bactéries, protéine, Cas9, Cas1, Cas2, ADN, immunité, médecine personnalisée, COVID-19, grippe, infection