Les bactéries utilisent une variété de stratégies de défense pour combattre l’infection virale, et certains de ces systèmes ont conduit à des technologies révolutionnaires, telles que l’édition de gènes basée sur CRISPR. Les scientifiques prédisent qu’il reste encore beaucoup d’armes antivirales à découvrir dans le monde microbien.
Une équipe dirigée par des chercheurs du Broad Institute du MIT et de Harvard et du McGovern Institute for Brain Research du MIT a découvert et caractérisé l’un de ces systèmes de défense microbiens inexplorés. Ils ont découvert que certaines protéines des bactéries et des archées (connues ensemble sous le nom de procaryotes) détectent les virus de manière étonnamment directe, reconnaissant des éléments clés des virus et provoquant le suicide des organismes unicellulaires pour réprimer l’infection au sein d’une communauté microbienne. L’étude est la première fois que ce mécanisme est observé chez les procaryotes et montre que les organismes des trois domaines de la vie – les bactéries, les archées et les eucaryotes (qui comprennent les plantes et les animaux) – utilisent la reconnaissance des formes des protéines virales conservées pour se défendre contre les agents pathogènes.
L’étude paraît dans La science.
« Ce travail démontre une unité remarquable dans la façon dont la reconnaissance des formes se produit dans des organismes très différents », a déclaré l’auteur principal Feng Zhang, membre principal de l’institut au Broad, professeur de neurosciences James et Patricia Poitras au MIT, professeur de cerveau et sciences cognitives et génie biologique au MIT, et chercheur au McGovern Institute du MIT et au Howard Hughes Medical Institute. « Cela a été très excitant d’intégrer des approches de génétique, de bioinformatique, de biochimie et de biologie structurale dans une étude pour comprendre ce système moléculaire fascinant. »
Armurerie microbienne
Dans une étude antérieure, les chercheurs ont scanné des données sur les séquences d’ADN de centaines de milliers de bactéries et d’archées, qui ont révélé plusieurs milliers de gènes abritant des signatures de défense microbienne. Dans la nouvelle étude, ils se sont concentrés sur une poignée de ces gènes codant pour des enzymes membres de la famille de protéines STAND ATPase, qui chez les eucaryotes sont impliquées dans la réponse immunitaire innée.
Chez l’homme et les plantes, les protéines STAND ATPase combattent l’infection en reconnaissant des schémas dans un agent pathogène lui-même ou dans la réponse de la cellule à l’infection. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont voulu savoir si les protéines fonctionnent de la même manière chez les procaryotes pour se défendre contre l’infection. L’équipe a choisi quelques gènes STAND ATPase de l’étude précédente, les a livrés à des cellules bactériennes et a défié ces cellules avec des virus bactériophages. Les cellules ont subi une réponse défensive dramatique et ont survécu.
Les scientifiques se sont ensuite demandé quelle partie du bactériophage déclenche cette réponse, ils ont donc livré les gènes viraux aux bactéries un à la fois. Deux protéines virales ont déclenché une réponse immunitaire : le portail, une partie de l’enveloppe de la capside du virus, qui contient de l’ADN viral ; et la terminase, le moteur moléculaire qui aide à assembler le virus en poussant l’ADN viral dans la capside. Chacune de ces protéines virales a activé une STAND ATPase différente pour protéger la cellule.
Le constat est saisissant et sans précédent. La plupart des systèmes de défense bactérienne connus fonctionnent en détectant l’ADN ou l’ARN viral, ou le stress cellulaire dû à l’infection. Ces protéines bactériennes détectaient plutôt directement des éléments clés du virus.
L’équipe a ensuite montré que les protéines bactériennes STAND ATPase pouvaient reconnaître diverses protéines portales et terminase de différents phages. « Il est surprenant que les bactéries disposent de ces capteurs très polyvalents capables de reconnaître toutes sortes de menaces de phages différentes qu’elles pourraient rencontrer », a déclaré le co-premier auteur Linyi Gao, chercheur junior à la Harvard Society of Fellows et ancien étudiant diplômé du Zhang. laboratoire.
Les scientifiques ont également découvert que les protéines fonctionnent comme des enzymes endonucléases d’ADN qui peuvent découper l’ADN d’une bactérie et tuer la cellule pour limiter la propagation du virus. Chez l’homme, de même, les ATPases STAND sont connues pour répondre aux infections bactériennes en provoquant la mort cellulaire programmée des cellules infectées. « C’est assez excitant de voir un lien entre les procaryotes et un système qui est aussi à l’intérieur de nous », a déclaré le co-premier auteur Jonathan Strecker, chercheur postdoctoral au laboratoire de Zhang.
Analyse structurelle
Pour un examen détaillé de la façon dont les ATPases STAND microbiennes détectent les protéines virales, les chercheurs ont utilisé la cryo-microscopie électronique pour examiner leur structure moléculaire lorsqu’elles sont liées aux protéines virales. « En analysant la structure, nous avons pu répondre avec précision à de nombreuses questions sur le fonctionnement réel de ces choses », a déclaré le co-premier auteur Max Wilkinson, chercheur postdoctoral au laboratoire de Zhang.
L’équipe a vu que la protéine portaile ou terminase du virus s’insère dans une poche de la protéine STAND ATPase, chaque protéine STAND ATPase saisissant une protéine virale. Les protéines STAND ATPase se regroupent ensuite en ensembles de quatre appelés tétramères, qui rassemblent des parties clés des protéines bactériennes appelées domaines effecteurs. Cela active la fonction endonucléase des protéines, déchiquetant l’ADN cellulaire et tuant la cellule.
Les tétramères ont lié les protéines virales d’autres bactériophages tout aussi étroitement, démontrant que les ATPases STAND détectent la forme tridimensionnelle des protéines virales, plutôt que leur séquence. Cela aide à expliquer comment une STAND ATPase peut reconnaître des dizaines de protéines virales différentes. « Indépendamment de la séquence, ils vont tous comme une main dans un gant », a déclaré Wilkinson.
Les ATPases STAND chez l’homme et les plantes fonctionnent également en formant des complexes multi-unités qui activent des fonctions spécifiques dans la cellule. « C’est la partie la plus excitante de ce travail », a déclaré Strecker. « Voir cela dans tous les domaines de la vie est sans précédent. »
Linyi Alex Gao et al, Immunité innée procaryote grâce à la reconnaissance de formes de protéines virales conservées, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abm4096
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.