Le mécanisme génétique protège les communautés bactériennes des menaces virales

Tout comme les humains qui luttent pour surmonter la pandémie de COVID-19, les cellules bactériennes ont besoin d’une distance sociale pour contrecarrer les virus. Mais dans certaines situations, comme à l’intérieur des ascenseurs ou au sein des structures bactériennes de couleur bonbon connues sous le nom de « baies roses », rester à l’écart n’est tout simplement pas possible.

Ressemblant à des Nerds ou à des Pop Rocks renversés, les baies roses multicellulaires communes jonchent la surface submergée des marais salants dans et autour de Woods Hole. De nouvelles recherches menées au Laboratoire de biologie marine (MBL) révèlent qu’un mécanisme génétique peut aider les bactéries productrices de baies – ; et d’autres comme eux – ; protéger contre la maladie. L’étude, publiée cette semaine dans Actes de l’Académie nationale des sciencesa également des implications pour la compréhension de l’évolution des organismes unicellulaires, comme les bactéries, en organismes multicellulaires complexes, y compris les humains.

Il nous raconte les défis auxquels nous avons été confrontés lorsque nous étions de petites boules de cellules. Si vous formez des structures multicellulaires, vous devez développer des défenses immunitaires assez sophistiquées pour rester en vie. »

Lizzy Wilbanks, MBL Whitman Fellow et microbiologiste à l’Université de Californie à Santa Barbara

Des systèmes mystérieux générateurs de mutations

Wilbanks a découvert les baies roses pour la première fois alors qu’il était étudiant diplômé inscrit au cours sur la diversité microbienne du MBL. Ces agrégats sphériques font partie des structures formées par les bactéries lorsque des individus génétiquement similaires se rapprochent et coordonnent leur activité. Les baies roses sont peuplées d’une espèce de bactérie appelée Thiohalocapsa PSB1, qui se nourrit de soufre et de lumière, ainsi que d’un nombre relativement restreint d’autres bactéries symbiotiques. En travaillant ensemble, ces cellules créent des poches exemptes d’oxygène, ce qui pourrait les empoisonner, et acquièrent le poids nécessaire pour s’installer en toute sécurité dans leur habitat idéal.

Comme tous les organismes, ces microbes coopératifs risquent de contracter des virus issus de leur environnement. Les baies roses et autres bactéries multicellulaires ont un besoin accru de protection, car – ; comme nous -; ils sont composés de cellules génétiquement similaires étroitement serrées les unes contre les autres, sans aucune distance sociale possible.

“C’est un cocktail parfait pour qu’une épidémie éclate et efface tout”, déclare Wilbanks.

Grâce à son collaborateur Blair Paul, chercheur adjoint au MBL, Wilbanks a découvert un mécanisme génétique inhabituel qu’ils ont trouvé abondant dans Thiohalocapsa. Connu sous le nom de rétroéléments générateurs de diversité (DGR), ce système contient des sections d’ADN qui sont transcrites en ARN et reconstituées en ADN via un processus sujet aux erreurs, puis insérées dans un gène cible pour la mutation.

De cette manière, les DGR introduisent de nombreuses nouvelles variations génétiques, la matière première de l’adaptation, à des endroits spécifiques du génome. Les scientifiques ont découvert ces systèmes chez des virus, des bactéries et d’autres microbes appelés archées, mais ils ne comprennent pas pleinement comment les microbes les utilisent.

Wilbanks et Hugo Doré, alors chercheur postdoctoral dans son laboratoire et premier auteur de l’étude, ont commencé à discuter de ce que les DGR pourraient accomplir pour Thiohalocapsa. Grâce à leurs recherches, ils ont appris que les gènes cibles des DGR comprennent des composants liés à ceux présents dans le système immunitaire des organismes multicellulaires, notamment les humains, les plantes et même certains champignons. La similitude avec des éléments du système immunitaire d’autres organismes a incité les chercheurs à soupçonner que les DGR pourraient diversifier les protéines capteurs. Thiohalocapsa utilise pour se défendre contre les agents pathogènes, analogue aux anticorps de notre propre système immunitaire.

Tous les organismes vivants doivent détecter des menaces qu’ils n’ont jamais rencontrées auparavant. Les humains et autres vertébrés résolvent ce problème en mélangeant et en faisant muter les gènes de leurs protéines sensorielles (anticorps) afin de générer une armée diversifiée de sentinelles. Bien que des recherches récentes aient montré que de nombreux composants de notre système immunitaire inné ont évolué à partir d’ancêtres bactériens, les scientifiques n’ont jamais vu chez les bactéries quelque chose qui ressemble à nos anticorps hyperdiversifiés.

Un lien immunologique répandu

L’équipe a d’abord examiné de manière globale les DGR trouvés dans les bactéries et les archées, en se concentrant sur le gène responsable de la reconversion de l’ARN en ADN. Cette méthode divise les DGR des bactéries et des archées en deux groupes. Au sein du groupe auquel Thiohalocapsa appartient, ils ont découvert que 82 pour cent des DGR appartiennent à des microbes qui forment des structures coopératives à plusieurs cellules, semblables aux baies roses. Même s’ils appartiennent à des microbes éloignés, les altérations des DGR ont tendance à affecter le même type de gènes du système immunitaire que dans Thiohalocapsa.

En examinant des centaines de baies roses individuelles, ils ont découvert que les DGR diversifiaient activement 14 des 15 gènes cibles au total dans Thiohalocapsa. L’ampleur de la variation trouvée pour ces gènes variait cependant en fonction du site sur lequel les baies roses avaient été récoltées. Les virus présents dans les mares d’un même marais peuvent varier – ; peut-être à l’origine des différences constatées par l’équipe.

“La prochaine frontière montre ce que Thiohalocapsa ce qu’il fait réellement avec ses DGR dans l’environnement”, explique Wilbanks.

En plus d’offrir un aperçu de l’évolution de la vie, cette recherche a des implications pratiques. Les usines de traitement des eaux usées utilisent des bactéries multicellulaires pour éliminer les nutriments susceptibles de nuire aux écosystèmes locaux, et des chercheurs fédéraux et industriels explorent une foule d’autres applications pour les amas de microbes artificiels. Ces structures microbiennes sont confrontées au même défi – ; épidémies virales – ; comme les baies roses. Selon Wilbanks, lors de la conception de ces systèmes microbiens, il est logique d’imiter l’immunité basée sur le DGR des bactéries communautaires sauvages.

Source:

Laboratoire de biologie marine

Référence du journal :

H. Doré, H., et autres. (2024). Hypermutation ciblée de capteurs d’antigènes putatifs chez les bactéries multicellulaires. Actes de l’Académie nationale des sciences. est ce que je.org/10.1073/pnas.2316469121.

2024-02-17 07:23:00
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