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Bactéries contre virus : La plus grande et la plus petite guerre

Vous avez probablement entendu parler des bactéries et des virus qui causent des maladies humaines, et vous savez peut-être comment les humains combattent les bactéries avec des antibiotiques et comment nous prévenons les infections par les bactéries et les virus à l’aide de vaccins. Mais les bactéries et les virus se combattent aussi depuis très longtemps, et l’étude de la façon dont ils se battent nous a beaucoup appris sur la façon dont les organismes changent au fil du temps et a également conduit à la découverte d’un outil de recherche extrêmement passionnant.

Cette bataille entre les bactéries et les virus concerne la capacité à se reproduire. Les bactéries et les virus se reproduisent tous deux en faisant des copies identiques d’eux-mêmes, et les instructions pour le faire sont stockées dans leur ADN.

Cracking the DNA Code

L’ADN est une longue molécule qui est construite à partir d’une combinaison de quatre plus petites molécules : l’adénine, la thymine, la guanine et la cytosine (A, T, G et C pour faire court ; figure 1). Les molécules A, T, C et G peuvent être assemblées dans de nombreux ordres différents pour former un long brin. Cette combinaison spécifique de A, T, G et C est comme un code. Un brin d’ADN seul ne durera pas très longtemps dans une cellule, c’est pourquoi les brins s’associent selon des règles spécifiques. Les As ne peuvent s’apparier qu’avec les Ts, et les C ne peuvent s’apparier qu’avec les G, de sorte que les deux brins finissent par être en quelque sorte les opposés l’un de l’autre. Les deux brins d’une molécule d’ADN sont complémentaires. Les deux brins complémentaires s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une structure appelée double hélice.

Certaines sections de l’ADN, appelées gènes, contiennent les instructions pour construire les protéines (figure 1). Les protéines sont les principales molécules qui font des choses dans une cellule. Les protéines aident à transformer notre nourriture en énergie, elles déplacent les choses à l’intérieur et entre les cellules, et elles aident les cellules à communiquer. Les produits protéiques des gènes et les tâches qu’ils accomplissent sont la façon dont les gènes se traduisent par des traits physiques, comme la couleur des yeux ou les cheveux raides ou frisés.

Une grande partie de notre ADN n’est pas réellement constituée de gènes, cependant. Beaucoup de ces autres sections d’ADN aident la cellule à savoir quand fabriquer une certaine protéine, et quelle quantité de cette protéine elle doit fabriquer.

Mais qu’est-ce que l’ADN a à voir là-dedans ?

Alors, maintenant que nous savons que l’ADN code pour les protéines, nous pouvons penser à la façon dont cela pourrait permettre à une bactérie ou à un virus de faire une copie de lui-même. Pour qu’une bactérie se reproduise, elle doit fabriquer suffisamment de protéines et de molécules pour une autre cellule, copier son ADN pour que la nouvelle cellule ait les informations dont elle a besoin, et elle doit aussi grossir et se diviser. Un virus, en comparaison, est beaucoup plus simple : il s’agit simplement d’un peu d’ADN dans une enveloppe protéique. Les bactéries et les virus ont tous deux des instructions pour fabriquer toutes les protéines qui faciliteront toutes les tâches de reproduction. Alors pourquoi se battre ?

Il nous manque une partie importante de cette histoire : comment une protéine est-elle fabriquée ? Cela se passe à l’aide d’une molécule appelée ARN. L’ARN est très similaire à l’ADN, mais il ne possède qu’un seul brin. Des protéines spéciales peuvent fabriquer (ou « transcrire ») des versions ARN des gènes qui peuvent être « lues » par la machinerie cellulaire qui « traduit » le code ARN et construit une protéine (figure 1). Vous pouvez considérer la différence entre l’ARN et l’ADN comme suit : L’ADN est comme un manuel d’instructions, un plan ou un livre de cuisine. Aucune modification n’est apportée à l’exemplaire principal, mais si quelqu’un veut fabriquer quelque chose avec ces instructions, de petites portions sont copiées et envoyées là où le produit peut être fabriqué avec les matériaux appropriés. C’est le travail de l’ARN. C’est cette étape intermédiaire de l’ARN qui pose problème aux virus et aux bactéries. Les bactéries ont les instructions et les outils pour fabriquer des protéines, mais les virus n’ont que les instructions, pas d’outils.

Certains virus compensent cela en détournant les bactéries et en utilisant leurs outils (figure 2). Ce type de virus se pose et se fixe sur l’extérieur de la bactérie et injecte son ADN dans la bactérie. Si la bactérie ne se rend pas compte que l’ADN viral n’est pas le sien, elle va suivre les instructions de l’ADN viral et fabriquer d’autres virus. La bactérie fera des copies de l’ADN viral et de nombreuses protéines virales et permettra aux nouveaux virus de s’assembler à l’intérieur de la bactérie. Enfin, les nouveaux virus éclatent la bactérie et partent infecter d’autres bactéries .

La plupart des bactéries qui sont infectées par un virus qu’elles n’ont jamais vu vont mourir. De temps en temps, cependant, une bactérie ne meurt pas d’une infection virale. Cela peut se produire à cause d’une mutation dans l’ADN de cette bactérie. Les mutations sont des changements dans la séquence d’ADN d’un gène, comme de petites erreurs, et elles se produisent tout le temps dans les bactéries lorsqu’elles copient leur ADN pour la génération suivante. Certaines de ces erreurs tuent la bactérie, qui n’a donc pas la possibilité de transmettre la mutation à la génération suivante. D’autres mutations, en revanche, peuvent passer inaperçues… jusqu’à ce que la bactérie soit envahie par un virus ! Soudain, il s’avère que la mutation aide en fait la bactérie à combattre le virus. Les quelques bactéries chanceuses qui possèdent cette mutation utile sont celles qui survivent et se reproduisent, et elles transmettent ces mutations utiles à leur progéniture. Ces derniers se reproduisent à leur tour, et finalement la mutation utile est présente dans la plupart des bactéries de la population. Cette introduction d’une nouvelle version utile d’un gène dans tout un groupe de bactéries est un exemple d’évolution.

CRISPR : Défendre les bactéries en se souvenant des virus

À ce stade, vous vous demandez peut-être à quoi ressemble la résistance aux virus chez les bactéries, et c’est là qu’intervient CRISPR (figure 3). CRISPR est l’abréviation de Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats. Cela semble très sophistiqué, mais il s’agit en fait d’une simple description de certaines régions spéciales de l’ADN des bactéries. Dans ces régions, il existe deux types de séquences d’ADN qui alternent : les répétitions et les espaceurs. Les répétitions sont la même collection de lettres répétées encore et encore, mais les espaceurs entre elles sont tous différents.

Lorsque les scientifiques ont découvert pour la première fois ces régions spéciales de l’ADN, ils n’étaient pas sûrs de leur utilité. Mais ils se sont vite rendu compte que les espaceurs étaient souvent très similaires à l’ADN viral. D’où venait cet ADN viral ? CRISPR pourrait-il éventuellement aider les bactéries à reconnaître et à combattre les virus ?

En 2007, Rodolphe Barrangou et son laboratoire ont décidé d’explorer cette idée (Fait amusant : Barrangou travaillait pour une entreprise de yaourts ! La fabrication d’un yaourt nécessite des bactéries, et parfois ces bactéries sont anéanties par des virus. Il était dans l’intérêt de l’entreprise de savoir comment les bactéries se protègent des virus). Lorsque Barrangou a comparé la région CRISPR d’un type de bactérie non résistante aux virus à celle d’une version résistante aux virus de la même espèce, ils ont découvert que la seule différence entre les deux était que la version résistante aux virus avait des espaceurs supplémentaires. Ils ont décidé de faire une expérience pour comprendre d’où venaient ces espaceurs supplémentaires.

D’abord, ils ont exposé des bactéries non résistantes aux virus à des virus jusqu’à ce que les bactéries deviennent résistantes aux virus. Lorsqu’ils ont comparé les régions CRISPR des bactéries nouvellement résistantes et non résistantes, ils ont constaté qu’il y avait généralement un à quatre nouveaux espaceurs dans les bactéries résistantes, et que ces nouveaux espaceurs étaient similaires à l’ADN des virus auxquels les bactéries avaient été exposées. Cela a fait penser aux chercheurs que les espaceurs pouvaient avoir été fabriqués à partir de l’ADN viral.

Barrangou et son laboratoire ont également supprimé et inséré plusieurs espaceurs qui correspondaient à différents virus. Ils ont constaté que lorsqu’ils supprimaient un espaceur d’une bactérie résistante aux virus, cette bactérie perdait sa résistance au virus correspondant, et lorsqu’ils ajoutaient des espaceurs, la bactérie était résistante au virus correspondant, même si elle n’avait jamais vu ce virus auparavant. Barrangou et son laboratoire ont conclu que les espaceurs dans les régions CRISPR offrent une résistance aux virus en sauvegardant une partie de l’ADN viral, ce qui permet à la bactérie de s’en « souvenir ».

La résistance au virus (immunité) apparaît en réponse à l’infection. Normalement, l’immunité n’est pas transmise à la descendance, mais avec CRISPR, elle peut l’être, car l’immunité est en fait codée dans l’ADN, qui est transmis à travers les générations .

Depuis que Barrangou a fait ses premières expériences sur CRISPR, nous avons compris beaucoup de choses sur la façon dont CRISPR fonctionne pour empêcher les virus de détruire la cellule. La bactérie coupe un peu de l’ADN viral et l’ajoute dans une région CRISPR de son propre ADN. Si le virus revient, la bactérie fabrique de l’ARN à partir de la région de CRISPR spécifique à ce virus. Ces copies d’ARN s’associent à certaines protéines cas (CRISPR-associated). L’ARN guide la protéine cas vers l’ADN viral envahissant, afin que la protéine puisse le détruire. Plus d’ADN viral, plus de nouveaux virus. Ces copies d’ARN s’associent à certaines protéines cas (CRISPR-associated), qui sont fabriquées à partir de gènes cas.

Beyond Bacteria : CRISPR en laboratoire

Lorsque ce mécanisme a été découvert, les scientifiques ont rapidement réalisé que CRISPR pourrait avoir de nombreuses utilisations intéressantes et passionnantes en laboratoire . Les gens ont compris qu’ils pouvaient donner à une protéine cas la version ARN de n’importe quel morceau d’ADN qu’ils voulaient qu’elle trouve, et avec l’aide de l’ARN, la protéine s’y rendrait et apporterait des modifications à l’ADN. Les protéines cas peuvent changer une lettre, ce qui est souvent suffisant pour que le gène ne fonctionne plus, ou les protéines cas peuvent supprimer un gène entier ou une section d’un gène.

Ce qui fait de CRISPR un outil génial pour la génétique, qui est l’étude des traits hérités. L’une des façons dont les généticiens comprennent le fonctionnement des gènes est de les supprimer ou de les inactiver et de voir ce qui ne va pas dans l’organisme. Cela se fait depuis de nombreuses années, mais CRISPR nous permet de le faire plus rapidement et plus précisément que jamais auparavant.

Il est également possible que CRISPR soit utilisé pour corriger les mutations nuisibles qui causent des maladies chez les humains, mais cela soulève de sérieuses questions éthiques. Comment allons-nous décider quand utiliser cette technologie ? Et est-il acceptable d’apporter des modifications génétiques qui peuvent être héritées par un individu qui n’a pas consenti à ces modifications ? Nous sommes encore loin de CRISPR chez les humains, mais il est important de poser ces questions plus tôt que tard.

Contributions des auteurs

MC a rédigé le manuscrit et généré toutes les figures. JJ a supervisé le travail et a commenté le manuscrit à toutes les étapes. Les deux auteurs ont revu le manuscrit final.

Glossaire

ADN : Acide désoxyribonucléique, une longue molécule composée d’une combinaison de quatre molécules plus petites (A, C, T et G) qui code toutes les informations de la cellule.

Double hélice : La forme que forme l’ADN lorsque les deux brins complémentaires de la molécule s’apparient et se tordent.

Gène : Une section d’ADN qui code pour une protéine.

Protéine : Une classe de grandes molécules structurellement compliquées qui est responsable d’une grande partie de l’activité cellulaire.

ARN : Acide ribonucléique, une molécule monocaténaire composée de As, Gs, Cs et Us. L’ARN peut servir de messager entre l’ADN et la machinerie cellulaire qui fabrique les protéines, mais il a aussi d’autres fonctions.

Mutation : Une modification de la séquence d’ADN d’un organisme, comme l’ajout, l’échange ou la suppression d’un A, d’un C, d’un T ou d’un G.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats) : Nom donné à une région spéciale de certains génomes bactériens qui contient des séquences alternées d’espaceurs et de répétitions. C’est également le nom donné à un processus par lequel les bactéries se défendent contre les infections virales et pour une technologie de laboratoire qui permet de modifier les gènes.

Gènes Cas : Gènes associés à CRISPR adjacents aux loci CRISPR d’espaceurs et de répétitions. cas9 est un gène cas.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Salmond, G. P. C., et Fineran, P. C. 2015. Un siècle de phage : passé, présent et futur. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi : 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Un éditeur d’ADN révolutionnaire né d’une bactérie. Magazine Quanta. Disponible en ligne à : https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (consulté le 26 novembre 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR fournit une résistance acquise contre les virus chez les procaryotes. Science 315:1709-12. doi : 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., et Marraffini, L. A. 2014. Les systèmes CRISPR-Cas : la mise à niveau des procaryotes vers l’immunité adaptative. Mol. Cell 54:234-44. doi : 10.1016/j.molcel.2014.03.011