"Toutes les formes de vie sur Terre ont le même problème", a déclaré Jonathan Kagan, chercheur en immunologie au Boston Children's Hospital. "Et cela traite de l'infection." Tout comme nous nous inquiétons des infections bactériennes, les bactéries surveillent les virus appelés phages qui les infectent et, comme tout organisme dans tous les règnes de la vie, elles ont développé un arsenal d'outils moléculaires pour combattre les infections.
De grandes créatures complexes comme les humains peuvent faire des folies sur d'immenses systèmes immunitaires de cellules spécialisées qui détectent ou détruisent les envahisseurs. Les organismes plus simples tels que les plantes et les bactéries doivent souvent s'appuyer sur des suites de protéines multitâches qui, comme des couteaux suisses, sont équipées pour les deux tâches. Parce que la défense est une préoccupation si universelle, il n'est pas surprenant que bon nombre de ces systèmes défensifs aient été préservés au cours de l'évolution et partagés par divers organismes, y compris les humains.
Mais une nouvelle étude publié ce mois-ci dans Sciences ont découvert qu'une famille de protéines dans les bactéries et les archées, les cellules procaryotes simples qui sont la forme de vie la plus ancienne, détectent les virus d'une manière jamais vue auparavant.
Va comme un gant
En raison des progrès du séquençage des gènes et des techniques bioinformatiques, bon nombre des défenses antivirales utilisées par les bactéries n'ont commencé à apparaître qu'au cours des 50 dernières années. Mais l'intérêt pour eux a explosé au cours de la dernière décennie en raison du puissant outil d'édition de gènes qui exploite le système bactérien CRISPR-Cas9. Le succès de l'outil a incité les chercheurs à se concentrer davantage sur la façon dont les molécules bactériennes reconnaissent les virus et les éliminent.
Certaines de ces défenses antivirales, comme CRISPR-Cas9, reconnaissent des séquences spécifiques dans l'ADN qu'un phage injecte à son hôte. D'autres ne détectent pas directement les fragments du virus mais réagissent aux preuves des dommages causés par le virus, tels que l'ADN endommagé ou le dysfonctionnement des processus cellulaires - les équivalents moléculaires du verre brisé sur les lieux d'une effraction.
Mais les capteurs immunitaires bactériens appelés protéines Avs ne le font pas non plus, comme le montrent les chercheurs dirigés par Feng Zhang du Massachusetts Institute of Technology et Eugène Koonin du Centre national d'information sur la biotechnologie ont maintenant découvert. Les protéines Avs peuvent détecter directement les protéines virales fabriquées par la machinerie détournée de la cellule.
La surveillance des protéines est une stratégie risquée pour les microbes : même quelques mutations peuvent rendre la séquence d'acides aminés d'une protéine méconnaissable, permettant à un agent pathogène d'échapper à la détection. Les systèmes immunitaires adaptatifs chez l'homme et d'autres vertébrés peuvent chasser les protéines virales car ils peuvent déployer des milliards de cellules spécialisées pour effectuer la recherche - une option qui n'est pas ouverte aux bactéries individuelles.
Pourtant, le groupe de Zhang a découvert que les protéines Avs ne sont pas gênées par de petits changements dans les séquences d'acides aminés - ou par les grands, d'ailleurs. "Nous avons testé 24 phages différents, couvrant neuf familles de phages", a déclaré Alex Gao, biochimiste à l'Université de Stanford et auteur principal de l'article, "et a constaté qu'il y avait presque cette activation généralisée" d'Avs.
Les protéines ciblées dans les différentes familles virales avaient des séquences d'acides aminés presque complètement différentes, mais elles accomplissaient toutes le même travail : enrouler des brins d'ADN viral et les emballer dans des particules virales nouvellement formées. Par conséquent, ils ont tous conservé la même forme fonctionnelle.
Les protéines Avs profitent de cette ressemblance moléculaire, a réalisé l'équipe. Les protéines « reconnaissaient des plis et des formes tridimensionnelles, plutôt que des séquences », a expliqué Gao. Une protéine Avs "s'enroule comme un gant autour d'une main". Ce type de reconnaissance structurelle 3D "n'a pas beaucoup de précédents, à notre connaissance, en biologie moléculaire", a-t-il ajouté.
La seule façon pour ces protéines virales d'échapper à la détection d'Avs serait de muter en une forme méconnaissable. Mais "changer la forme sans déstabiliser la protéine ou autrement compromettre sa fonction dans le phage n'est pas anodin", a déclaré Koonin.
Les capacités de reconnaissance polyvalentes et enveloppantes des protéines Avs ne se limitent pas à repérer les virus qui infectent les bactéries. Koonin se souvient avoir demandé à Gao en plaisantant si les protéines Avs pouvaient détecter les herpèsvirus animaux – des parents très éloignés des phages testés dans l'article. À sa grande surprise, Gao a répondu : « 'Oui, nous l'avons déjà fait ! Ils font." Les protéines Avs ont reconnu les protéines d'emballage d'ADN dans les herpèsvirus humains, bien que la reconnaissance ait été plus faible que pour les phages bactériens.
"C'est la première fois que je sache qu'un élément reconnaissant un envahisseur peut identifier des virus qui infectent des organismes aussi éloignés", a déclaré Rotem Sorek, un généticien microbien de l'Institut Weizmann des sciences qui n'a pas participé à l'étude.
Lorsque les protéines Avs détectent des protéines virales, elles peuvent s'attaquer au virus de diverses manières, dont certaines se terminent par une autodestruction bactérienne. Le suicide cellulaire peut sembler peu intuitif comme défense, mais les bactéries vivent souvent dans des colonies avec une forte similitude génétique. En se détruisant, les cellules infectées peuvent protéger leurs voisins qui sont essentiellement leurs jumeaux, ce qui "est parfaitement logique" en tant que stratégie évolutive, a déclaré Koonin.
En outre, au moment où les protéines virales deviennent apparentes aux défenses Avs d'une bactérie, le virus assemble déjà des copies de lui-même et va bientôt sortir de la cellule infectée. À ce stade, a déclaré Sorek, "il n'y a de toute façon pas d'échappatoire à la mort par le phage".
Petits professeurs
Dans leurs études d'autres défenses immunitaires chez les bactéries et les archées, les chercheurs ont découvert des parallèles frappants avec ceux des cellules eucaryotes plus complexes des humains et d'autres organismes. Certains de ces gènes similitudes de forme et de fonction sont suffisamment proches pour suggérer que nous, les eucaryotes, avons directement hérité de certaines de nos défenses de nos ancêtres procaryotes.
Reste à savoir si nous avons hérité de quoi que ce soit des protéines Avs. Alors qu'une poignée de capteurs immunitaires innés humains reconnaissent des protéines pathogènes spécifiques, personne n'a encore trouvé quoi que ce soit comme la reconnaissance de la forme des protéines à l'œuvre dans nos capteurs immunitaires innés. Les protéines Avs présentent des similitudes structurelles intrigantes avec certaines molécules défensives eucaryotes, mais la ressemblance pourrait être le produit d'une évolution convergente et de la puissance de la reconnaissance de formes en tant que stratégie défensive. "Il est possible que la nature aime vraiment fabriquer ces [capteurs immunitaires] parce que cela fonctionne très bien", a déclaré Gao.
Compte tenu de l'efficacité de la reconnaissance de la forme des protéines pour les bactéries et les archées, on pourrait s'attendre à ce que quelque chose comme les protéines Avs finisse par apparaître chez les eucaryotes. Kagan pense que, si rien d'autre, cette découverte pourrait susciter l'intérêt pour l'étude des protéines en tant que cibles des réponses immunitaires innées.
Les bactéries "n'ont pas cessé de nous apprendre", a déclaré Kagan. "Ils nous ont appris la réplication de l'ADN, ils nous ont appris la réparation de l'ADN, ils nous ont appris la division cellulaire, et maintenant ils peuvent nous apprendre l'immunité."
