Comment les bactéries reconnaissent l’invasion virale et activent les défenses immunitaires

Aucun organisme sur Terre ne vit à l’abri de menaces, y compris de bactéries. Les virus prédateurs appelés phages font partie de leurs ennemis les plus redoutables, infiltrant leurs cellules pour se répliquer et prendre le relais. Les bactéries ont développé toute une série de stratégies pour contrer ces infections, mais la manière dont elles détectent pour la première fois un envahisseur parmi elles est depuis longtemps un mystère.

Aujourd’hui, des chercheurs du laboratoire de bactériologie de l’université Rockefeller ont découvert que les bactéries détectent les phages via une réponse défensive appelée CBASS qui détecte l’ARN viral – des découvertes qui pourraient un jour aider à contrer la menace de résistance aux antibiotiques. Ils ont publié les résultats dans Nature.

“La manière dont le CBASS est activé par une infection par les phages est une grande inconnue dans notre domaine depuis de nombreuses années”, explique Luciano Marraffini, chef du laboratoire. “Jusqu’à présent, personne n’a compris ce qui déclenche la réponse immunitaire CBASS par la bactérie.”

Parents dans des domaines distants

Certaines fonctions immunitaires essentielles sont partagées dans des domaines de la vie éloignés, depuis les eucaryotes (organismes dotés d’un noyau lié à une membrane) comme les mammifères, les plantes et les champignons, jusqu’aux procaryotes (ceux sans telles membranes) comme les bactéries et les archées. Ces réponses immunitaires ont dû évoluer au début de l’existence de la vie.

Une caractéristique conservée est un mécanisme de détection viral qui repose sur une enzyme spécialisée connue sous le nom de cyclase. Chez les animaux, on l’appelle cGAS (cyclique GMP-AMP synthase). Chez les bactéries, les cyclases de type cGAS sont des composants centraux de la réponse immunitaire CBASS (système de signalisation antiphage basé sur les oligonucléotides cycliques). Les deux n’ont été découverts qu’au cours de la dernière décennie.

“On pense que les cyclases CBASS sont d’anciens ancêtres du cGAS”, explique le co-premier auteur Dalton Banh, étudiant en MD-Ph.D dans le laboratoire de Marraffini.

Mais il y a des différences. Chez un animal infecté, le cGAS détecte l’ADN viral dans le cytoplasme, le liquide gélatineux d’une cellule qui entoure le noyau ; dans un organisme non infecté, l’ADN est confiné dans le noyau. Sa présence ailleurs signale que quelque chose ne va pas.

Cependant, comme les bactéries manquent de noyaux, elles doivent adopter une autre approche. Si le CBASS réagissait à la simple présence d’ADN, cela entraînerait une auto-immunité généralisée, ou la bactérie s’attaquerait à elle-même, dit Banh.

“C’était là l’énigme”, dit-il. “Les cyclases CBASS ressemblent beaucoup au cGAS, elles doivent donc détecter quelque chose. Mais quoi, exactement ?”

chercheur d’ARN

Pour le savoir, les chercheurs et leurs partenaires du laboratoire de Sean Brady sur les petites molécules génétiquement codées se sont concentrés sur le système CBASS de Staphylococcus schleiferi, une bactérie couramment trouvée dans la bouche des chiens, des chats et d’autres animaux qui, en de rares occasions, a sauté vers humains.

Marraffini est un pionnier de l’étude des systèmes de défense bactériens, principalement CRISPR-Cas ; Comme son laboratoire a utilisé diverses souches de Staphylococcus dans ce travail au fil des années, l’équipe dispose de beaucoup de phages Staphylococcus. Banh les a tous examinés pour déterminer leur capacité à être inhibée par le CBASS. Il s’est concentré sur un ensemble de phages repérés par le système de défense. “Cela nous a amené à émettre l’hypothèse que ces phages sensibles produisaient quelque chose lors de l’infection qui déclenchait l’activation du CBASS”, explique Banh.

Ensuite, le co-premier auteur Cameron Roberts, titulaire d’un doctorat. étudiant en laboratoire, a minutieusement testé diverses molécules produites par la bactérie ou le virus, notamment l’ADN, l’ARN et les protéines.

L’expérience a révélé que seul l’ARN produit lors d’une infection par un phage était capable de déclencher une réponse immunitaire. “Il s’agissait très clairement d’ARN viral généré lors de l’infection”, explique Roberts. “Ainsi, au lieu de détecter une mauvaise localisation de l’ADN, comme le fait le cGAS, le CBASS détecte une structure d’ARN spécifique. Cette spécificité est étonnante.”

Ils ont inventé la molécule cabRNA en forme d’épingle à cheveux nouvellement identifiée (prononcé « cab-RNA » ou encore « cabernet »), pour l’ARN du bactériophage activant le CBASS. La molécule se lie à une surface de la cyclase, déclenchant la production d’une molécule messagère appelée cGAMP qui active la réponse immunitaire CBASS.

“C’était une expérience très simple et élégante, et elle nous a donné la clé du résultat”, explique Marraffini.

Ici aussi, il existe des parallèles avec la manière dont le système analogue fonctionne chez l’homme. Après avoir détecté l’ADN viral, le cGAS déclenche également la production de cGAMP, qui incite le système immunitaire à produire des interférons de type I. Cette voie de signalisation antivirale est connue sous le nom de cGAS-STING.

Possibilités futures

Dans les recherches futures, Roberts continuera à analyser les caractéristiques du cabRNA. « Deux grandes questions sont de savoir comment et pourquoi le phage génère du cabRNA : quel est son rôle ? » elle dit. “Les détails de la façon dont le cabRNA interagit avec l’enzyme CBASS ne sont pas non plus clairs. Donc, résoudre une structure de l’enzyme telle qu’elle est liée au cabRNA serait un énorme exploit.”

Les phages qui ne déclenchent pas de réponse CBASS pourraient potentiellement être utiles un jour dans la lutte contre les bactéries résistantes aux antimicrobiens. “À l’heure actuelle, nous n’avons pas les connaissances nécessaires pour prédire quels phages possèdent le cabRNA et lesquels ne le sont pas”, explique Marraffini, “mais si nous pouvions le faire, nous pourrions potentiellement utiliser ces phages pour attaquer les bactéries, car ils” J’ai trouvé comment contourner ce mécanisme de détection.