« Une molécule mystère dans des bactéries se révèle être un gardien », source Weizmann Institute of Science via EurekAlert!
Des structures inhabituelles dans les cellules bactériennes empêchent l'infection virale de se propager; une liste de nouvelles structures pourrait fournir des outils biotechnologiques améliorés.
Des structures hybrides particulières appelées rétrons qui sont moitié ARN, moitié ADN simple brin se trouvent dans de nombreuses espèces de bactéries. Depuis leur découverte il y a environ 35 ans, les chercheurs ont appris à utiliser les rétrons pour produire des brins simples d'ADN en laboratoire, mais personne ne savait quelle était leur fonction dans les bactéries, malgré de nombreuses recherches sur le sujet.
Dans un article publié dans Cell, une équipe du Weizmann Institute of Science rapporte sur la résolution du mystère de longue date: les rétrons sont des «gardes» du système immunitaire qui assurent la survie de la colonie bactérienne lorsqu'elle est infectée par des virus. En plus de découvrir une nouvelle stratégie utilisée par les bactéries pour se protéger contre les infections virales - une stratégie qui est étonnamment similaire à celle employée par le système immunitaire des plantes - la recherche a révélé de nombreux nouveaux rétons qui pourraient, à l'avenir, ajouter à la boîte à outils à l'édition génomique.
L'étude, menée dans le laboratoire du professeur Rotem Sorek du département de génétique moléculaire de l'Institut, a été dirigée par Adi Millman, le Dr Aude Bernheim et Avigail Stokar-Avihail dans son laboratoire. Sorek et son équipe n'ont pas cherché à résoudre le mystère du rétron; ils recherchaient de nouveaux éléments du système immunitaire bactérien, en particulier des éléments qui aident les bactéries à repousser les infections virales.
Leur recherche a été facilitée par leur découverte récente que les gènes du système immunitaire des bactéries ont tendance à se regrouper dans le génome au sein de soi-disant îles de défense. Lorsqu'ils ont découvert la signature unique de Retron dans une île de défense bactérienne, l'équipe a décidé d'enquêter plus avant.
Leurs recherches initiales ont montré que ce rétron était définitivement impliqué dans la protection des bactéries contre les virus appelés phages, spécialisés dans l'infection des bactéries. Alors que les chercheurs ont examiné de plus près des rétons supplémentaires situés à proximité de gènes de défense connus, ils ont constaté que les rétons étaient toujours connectés - physiquement et fonctionnellement - à un autre gène. Lorsque le gène d'accompagnement ou le rétron était muté, les bactéries réussissaient moins bien à combattre l'infection phagique.
Les chercheurs se sont alors mis à rechercher d'autres complexes de ce type dans les îles de défense. Finalement, ils ont identifié quelque 5 000 retrons, dont beaucoup étaient nouveaux, dans différents îlots de défense de nombreuses espèces bactériennes.
Pour vérifier si ces rétons fonctionnent généralement comme des mécanismes immunitaires, les chercheurs ont transplanté de nombreux rétons, un par un, dans des cellules bactériennes de laboratoire dépourvues de rétons. Comme ils le soupçonnaient, dans un grand nombre de ces cellules, ils ont trouvé des rétons protégeant les bactéries de l'infection par des phages.
Comment les retrons font-ils cela? En se concentrant sur un type particulier de rétron et en retraçant ses actions face à une infection phagique, l'équipe de recherche a découvert que sa fonction est de provoquer le suicide de la cellule infectée. Le suicide cellulaire, autrefois considéré comme appartenant uniquement à des organismes multicellulaires, est un moyen ultime pour faire avorter une infection généralisée - si le mécanisme de suicide fonctionne assez rapidement pour tuer la cellule avant que le virus ne finisse de se copier et de se propager à d'autres cellules.
Une enquête plus approfondie a montré que les rétons ne détectent pas l'invasion des phages eux-mêmes, mais surveillent plutôt une autre partie du système immunitaire connue sous le nom de RecBCD, qui est l'une des premières lignes de défense de la bactérie. S'il se rend compte que le phage a altéré le RecBCD de la cellule, le rétron active son programme via le second gène lié pour tuer la cellule infectée et protéger le reste de la colonie.
«C'est une stratégie intelligente, et nous avons constaté qu'elle fonctionne de la même manière qu'un mécanisme de garde utilisé dans les cellules végétales», explique Sorek. «Tout comme les virus qui infectent les plantes, les phages sont équipés d'une variété d'inhibiteurs pour bloquer diverses parties de la réponse immunitaire cellulaire. Le rétron, comme un mécanisme de garde connu pour exister dans les plantes, n'a pas besoin de pouvoir identifier tous les inhibiteurs possibles. , juste pour avoir une idée du fonctionnement d'un complexe immunitaire particulier. Les cellules végétales infectées appliquent cette méthode d'infection abortive, tuant une petite région d'une feuille ou d'une racine, dans le but de sauver la plante elle-même. Puisque la plupart des bactéries vivent dans des colonies, cette même stratégie peut favoriser la survie du groupe, même aux dépens des membres individuels.»
Les rétrons sont si utiles en biotechnologie car ils commencent par un morceau d'ARN, qui est le modèle pour la synthèse du brin d'ADN. Ce modèle dans la séquence du rétron peut être remplacé par n'importe quelle séquence d'ADN souhaitée et utilisé, parfois en conjonction avec un autre outil emprunté à la boîte à outils immunitaire bactérienne - CRISPR - pour manipuler les gènes de diverses manières. Sorek et son équipe croient que parmi la liste diversifiée de rétons qu'ils ont identifiés, ils pourraient en cacher plus de quelques-uns qui pourraient fournir de meilleurs modèles pour des besoins spécifiques d'édition de gènes.
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Rangée du haut: des bactéries E. coli contenant un rétron brise les membranes de la cellule environ 15 minutes après l'infection (au centre). Le rouge révèle des trous dans les membranes lorsque les cellules meurent. (À droite) 45 minutes après l'infection par un phage, de nombreuses cellules sont mortes, mais il en reste quelques-unes pour redémarrer la croissance. En bas: les bactéries dépourvues de ce rétron semblent bien au bout de 15 minutes, mais 45 minutes plus tard, les cellules infectées sont mortes et l'ADN viral s'est répandu, en chemin dans les quelques cellules restantes. Crédit Weizmann Institute of Science.
