Nouvelles recherches sur le phage φX174

À l’ère du COVID-19, le mot “virus” suscite des pensées de contagion, de maladie et même de mort. Mais que se passerait-il s’il existait un virus – un tout petit virus capable de se répliquer des centaines de fois toutes les demi-heures – qui pourrait guérir une grave infection bactérienne résistante à tous les antibiotiques connus ? C’est cet espoir qui motive Bil Clemons, professeur de biochimie Arthur et Marian Hanisch Memorial, à rechercher le virus nommé φX174.

φX174 est un bactériophage ou, plus simplement, un phage : un virus qui cible les cellules bactériennes. D’un point de vue humain, φX174 mène une vie simple : il trouve sa bactérie hôte, se gare à sa surface, injecte un brin d’ADN dans la cellule bactérienne, réplique son ADN encore et encore, force la cellule à fabriquer des protéines virales, assemble les L’ADN et les protéines dans de nouveaux virions (copies du phage), puis ouvrent la paroi cellulaire de la bactérie afin que les virions puissent trouver d’autres hôtes à infecter. C’est ce mécanisme d’échappement que l’équipe de Clemons élucide dans son article récemment publié dans Science, “Le mécanisme de l’antibiotique protéique codé par le phage de φX174.” En s’appuyant sur des images de cryomicroscopie électronique à une seule particule, il est révélé que la protéine E de φX174 se joint aux protéines MraY et SlyD de son hôte bactérien pour former un complexe stable, le complexe YES. Il en résulte une lyse cellulaire : la rupture de la paroi cellulaire bactérienne et la mort de la bactérie.

φX174 est sur le radar des scientifiques depuis environ 100 ans. Au début du XXe siècle, l’existence des phages n’était que théorisée. Travaillant indépendamment, le bactériologiste britannique Frederick Twort et le scientifique québécois Félix d’Herelle ont postulé l’existence de phages en se basant sur le comportement des cultures bactériennes dans leurs laboratoires. Parfois, lorsque les bactéries étaient censées proliférer sur leurs boîtes de Pétri, des plaques brillantes apparaissaient là où aucune bactérie ne se développait. Le passage de ces échantillons à travers des filtres a capturé les bactéries tout en laissant passer leurs minuscules tueurs invisibles. Quoi que ce soit qui ait traversé les filtres avec succès, il était trop petit pour être vu au microscope.

D’Herelle, travaillant à Paris en 1917, suggéra que ces tueurs devaient être des virus mangeurs de bactéries et était prêt à tester cette théorie. Selon la légende urbaine, comme le raconte Clemons, d’Herelle a filtré les eaux usées à plusieurs reprises, puis les a bues pour voir si elles pouvaient être consommées en toute sécurité. Il se sentait indemne, alors il a offert une gorgée à son assistant de laboratoire, qui était également inchangé. D’Herelle a ensuite donné l’eau d’égout filtrée à un patient, un jeune garçon atteint de dysenterie sévère qui était sur le point de mourir. Avec ce cocktail de phages, qui comprenait très probablement φX174, le garçon a été rapidement rétabli.

Des chercheurs de toute l’Europe sont venus à Paris pour travailler avec d’Herelle. L’un de ces chercheurs, le microbiologiste croate Vladimir Sertič, a passé une décennie à travailler dans le laboratoire de d’Herelle. Ce sont Sertič et son assistant, Nikolai Boulgakov, qui ont conçu une taxonomie pour les phages connus. Le nom à consonance exotique de φX174, dans le schéma de classification de Sertic, signifie simplement “le 174e virus du dixième [roman numeral X] série de phages qui ciblent plusieurs bactéries », de la classe φ : phages qui agissent contre plusieurs bactéries. La phagothérapie a continué à guérir les maladies bactériennes, mais elle a aussi tué, probablement parce que les chercheurs ne savaient pas encore comment purifier les sous-produits de la réplication des phages comme les débris bactériens, qui peuvent être toxiques.

La recherche et la thérapie des phages se sont fragmentées sous la pression de la Seconde Guerre mondiale. Pour les alliés occidentaux, la production de pénicilline hautement efficace a complètement éclipsé la phagothérapie, devenant la seule solution aux infections bactériennes. La pénicilline était un secret militaire non partagé avec les alliés de l’Est ou les puissances de l’Axe, de sorte que les médecins soviétiques ont continué l’utilisation thérapeutique des phages, une pratique qui persiste aujourd’hui dans les pays de l’ex-Union soviétique.

Bien que les phages soient tombés en disgrâce auprès des chercheurs médicaux des pays occidentaux dans les décennies qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale, les chercheurs scientifiques sont devenus fascinés par eux. φX174, bien que seul parmi des milliards de types de phages différents, s’est déplacé au début de la ligne en tant qu’outil expérimental utile pour le domaine en développement de la biologie moléculaire.

Robert L. Sinsheimer, professeur de biophysique à Caltech de 1957 à 1977, a joué un rôle déterminant dans le développement de φX174 en tant qu’organisme modèle. Son laboratoire a effectué la cartographie du génome de φX174 et a découvert bon nombre de ses caractéristiques les plus intrigantes. Comme Sinsheimer a raconté l’histoire dans une histoire orale de 1991 entretien, il a invité Max Delbrück, professeur de biologie à Caltech, à donner une série de conférences à l’Iowa State University au début des années 1950 où Sinsheimer faisait alors partie de la faculté. “Il [Delbrück] nous a juste époustouflés avec son travail sur les phages”, a déclaré Sinsheimer. “C’était absolument glorieux.”

Delbrück, qui avait initialement suivi une formation de physicien à l’Université de Göttingen avant la guerre, construisait un groupe de chercheurs sur les phages à Caltech et utilisait les virus pour sonder les mystères de la génétique moléculaire. Sinsheimer s’est donné pour mission de venir à Caltech pendant un congé de six mois en 1953 pour apprendre à travailler avec les phages. Un jour, alors qu’ils étaient assis dans le bureau de Delbrück et discutaient de la manière de procéder avec la virologie, les deux hommes ont conclu qu’il pourrait être avantageux d’étudier les phages les plus petits et potentiellement les plus simples pour mieux comprendre la structure et la réplication virales. Sinsheimer a examiné les candidats phages, s’est installé sur φX174, a acquis des échantillons de laboratoires en Angleterre et en France et s’est mis au travail.

Une série de premières scientifiques basées sur φX174 a commencé. Dans un essai de 1966, Sinsheimer a qualifié φX174 de «multum in parvo»: latin pour «beaucoup en peu». Tout au long des années 1950 et 1960, φX174 n’a cessé de surprendre les chercheurs. En 1959, deux ans après avoir rejoint Caltech, Sinsheimer a déterminé que φX174 n’avait qu’un seul brin d’ADN qu’il injectait dans la cellule hôte pour commencer la réplication. C’était une surprise étant donné que l’on avait découvert que l’ADN avait une structure en double hélice quelques années plus tôt. En 1962, Sinsheimer a émis l’hypothèse que l’ADN de φX174 avait la forme d’un anneau circulaire, ce que les biologistes moléculaires n’avaient pas encore visualisé. En 1977, Frederick Sanger de l’Université de Cambridge a été la première personne à séquencer complètement un génome, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1980. Ce génome appartenait à φX174. Le phage lui-même a été acquis auprès de Sinsheimer.

À la fin des années 1970, une grande partie du cycle de vie du φX174 était bien comprise, mais des incertitudes subsistaient. On a supposé que φX174 s’est échappé de son hôte bactérien en bloquant la synthèse de la couche de peptidoglycane – une barrière protectrice clé dans la paroi cellulaire de toutes les bactéries – tout comme le font la pénicilline et d’autres antibiotiques pharmaceutiques.

Pour la plupart des phages, les scientifiques avaient appris comment ils fabriquent des enzymes spécialisées, les endolysines, qui dégradent le polymère sucre-acide aminé qui constitue la couche de peptidoglycane. Mais ces enzymes sont trop grandes pour être contenues dans l’ADN d’un minuscule phage comme φX174.

“Le génome φX174 est vraiment petit”, explique Clemons. “Si vous deviez coder quelque chose qui réalise la lyse cellulaire de la même manière qu’un lysozyme – une enzyme présente dans nos larmes et notre salive qui offre une protection contre les bactéries en imitant les endolysines – il n’y aurait pas de place pour d’autres protéines sur le génome φX174. φX174 est faisant partie d’un groupe de ces virus qui sont trop petits pour avoir une machinerie de lyse complexe, ces phages ont donc dû développer des moyens très simples de lyser les cellules bactériennes. »

Différents phages et antibiotiques interfèrent avec la synthèse du peptidoglycane à différents moments du processus. La protéine E de φX174 cible MraY, une enzyme membranaire qui catalyse la synthèse d’un précurseur de peptidoglycane. Pour compléter son travail destructeur, la protéine E de φX174 a besoin d’une autre protéine, SlyD, qu’elle détourne de son hôte bactérien. “C’est un mystère”, dit Clemons, “parce que SlyD n’a aucune raison d’agir ici. Normalement, il n’interagit pas avec MraY, il a un travail entièrement différent. Pourtant, d’une manière ou d’une autre, ce processus nécessite SlyD.”

Ces trois agents, un viral et deux de l’hôte, constituent le complexe OUI : MraOuiprotéine E, SlyD. Essentiellement, la protéine E de φX174 s’entrelace avec MraY, inhibant l’activité enzymatique de MraY. SlyD lie et stabilise le complexe protéine E et MraY sans entrer en contact avec MraY.

Cette découverte est sur le point d’aider les chercheurs à tenir la promesse initiale des bactériophages en tant qu’antibiotique thérapeutique. Les antibiotiques ont sauvé un nombre incalculable de vies au cours du siècle dernier, mais l’invention de nouvelles classes d’antibiotiques n’a pas été en mesure de suivre la capacité des bactéries à développer une résistance à celles-ci. Les bactéries mutent également pour résister aux phages, mais contrairement aux antibiotiques pharmaceutiques qui nécessitent un effort humain considérable pour améliorer leur structure, les phages eux-mêmes peuvent muter, contrecarrant les nouvelles défenses bactériennes. Nous vivons avec un nombre énorme de phages dans notre corps, plusieurs centaines de billions. C’est l’espoir de Clemons et d’autres chercheurs dans le domaine que le rassemblement des bons phages au bon moment pour traiter les infections bactériennes pourrait créer un nouvel antibiotique plus durable, dont nous avons de plus en plus besoin face aux bactéries résistantes aux antibiotiques.

Les co-auteurs de “Le mécanisme de l’antibiotique protéique codé par le phage de φX174” incluent Anna K. Orta, Nadia Riera, Evelyn Yancheng Li, Shiho Tanaka, Hyun Gi Yun et Lada Klaic. Le financement a été fourni par les National Institutes of Health et la Fondation G. Harold et Leila Y. Mathers.