Évaluer les coûts et avantages des systèmes CRISPR-Cas
Les systèmes CRISPR-Cas constituent une défense naturelle des procaryotes (bactéries et archées). Lorsqu’un élément génétique étranger, un virus par exemple, pénètre l’un de ces micro-organismes, cette cellule prélève un extrait de l’ADN de l’envahisseur et le conserve dans son propre génome. Si un envahisseur du même type tente à nouveau d’entrer, l’alarme est déclenchée et le procaryote coupe son ADN, l’arrêtant net. Ces systèmes sont bien connus et ont été cooptés pour la technologie de réécriture génomique (et explorés pour leur potentiel de traitement des infections bactériennes). Leurs coûts et avantages pour les organismes hôtes sont inconnus. «Nous savons que chez certains micro-organismes, les systèmes CRISPR-Cas constituent une défense antivirale très puissante, mais chez d’autres, ils sont totalement inutiles contre les virus», explique Uri Gophna(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), professeur à l’École de biologie cellulaire moléculaire et de biotechnologie de l’université de Tel Aviv. «Et pourtant, ils ont été maintenus au cours de l’évolution, et doivent donc clairement présenter des avantages supplémentaires», ajoute-t-il. Dans le cadre du projet CRISPR-EVOL(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Uri Gophna et son équipe ont fait appel à des techniques de génomique et d’évolution expérimentale à grande échelle pour déterminer certains des coûts et avantages de ces systèmes. Nous avons démontré l’un de ces avantages, à savoir une récupération plus rapide des lésions de l’ADN», explique Uri Gophna. «Les systèmes CRISPR-Cas offrent un avantage en matière de réparation de l’ADN ce qui contribue à expliquer pourquoi ils sont maintenus sous de faibles pressions virales, malgré certains “coûts de maintenance” imputables, par exemple, à l’auto-immunité.»
Évaluer de nouveaux modèles de recombinaison de l’ADN
Le projet s’est penché sur la manière dont les systèmes CRISPR-Cas modifient les modèles de recombinaison, le processus de création de nouvelles combinaisons de matériel génétique, et a étudié comment les protéines associées à CRISPR contribuent à la réparation de l’ADN cellulaire. La recherche a consisté à créer des «tests d’accouplement» dans lesquels deux souches parentes sont mélangées sur des filtres puis déplacées vers un milieu dans lequel elles ne peuvent se développer qu’en cas d’accouplement réussi (entraînant un échange d’ADN). «Cela permet de quantifier l’efficacité de l’accouplement en présence ou en l’absence de ciblage CRISPR-Cas», explique Uri Gophna.
Intégrer les archées à la biotechnologie verte
Les systèmes CRISPR-Cas peuvent arrêter le transfert latéral de gènes (partage génétique entre des organismes qui coexistent dans un environnement), qui était supposé réduire la diversité génétique. Or, CRISPR-EVOL a révélé que ce n’était pas le cas. «Nous avons démontré que si le ciblage par CRISPR-Cas(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) limite les échanges d’ADN entre espèces éloignées, il augmente en réalité la recombinaison au sein de l’espèce entre différentes souches de la même espèce», explique Uri Gophna. «Nous avons également démontré que certains virus chroniques peuvent supprimer complètement CRISPR-Cas et ainsi persister indéfiniment dans l’hôte car aucune mémoire immunitaire CRISPR n’est générée contre eux», souligne-t-il. En guérissant un archée halophile(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de son virus infectant chroniquement, nous avons généré une souche avec un taux de croissance et un rendement considérablement améliorés. «Cette approche a été brevetée et nous espérons qu’elle ouvrira de nouveaux marchés pour les haloarchaea dans la biotechnologie verte», confie Uri Gophna.
Explorer les autres systèmes de défense naturels
Les chercheurs vont poursuivre l’étude des aspects évolutifs des systèmes CRISPR-Cas, en particulier certains exemples fascinants où deux systèmes codés par deux éléments génétiques distincts résident dans la même cellule. Ils ont également étendu leurs systèmes de défense à d’autres systèmes. «Nous étudions non seulement les effets sur l’échange de gènes entre les souches, mais aussi l’évolution de la complexité, c’est à dire comment différents composants commencent à fonctionner ensemble et deviennent un système», ajoute Uri Gophna. «Nous avons déjà démontré que des composants individuels peuvent bénéficier à l’hôte à la fois dans les systèmes CRISPR-Cas et CBASS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), mais ce n’est que la partie émergée de l’iceberg.»
