La dormance des bactéries freine les épidémies de phage

Une guerre invisible se déroule sous notre nez, entre les micro-organismes et leurs envahisseurs viraux. Pour lutter contre les virus appelés bactériophages (phages) qui les ciblent, les bactéries ont mis au point une panoplie de défenses, qui comprend une gamme de systèmes immunitaires protecteurs appelée CRISPR – Cas.

, Meeske et al. révèlent un curieux tournant dans notre compréhension de l'incroyable variété de défenses CRISPR – Cas, en montrant comment un type du système CRISPR – Cas qui cible l'ARN du phage protège les bactéries de l'infection par les phages de l'ADN. Les auteurs rapportent que ce système CRISPR – Cas répond aux phages de l’ADN en déclenchant la destruction des ARN viraux et bactériens, ce qui a pour effet de faire entrer les cellules bactériennes infectées dans un état de dormance qui met fin aux processus cellulaires nécessaires à la réplication virale. Meeske et ses collègues ont révélé que cette dormance bactérienne auto-induite aide à supprimer la réplication virale et les épidémies virales, y compris celles causées par des mutants viraux pouvant échapper à d'autres types de défenses CRISPR – Cas, ou à des virus sans lien avec celui qui a déclenché la dormance. Cette réponse de défense, dans laquelle la fermeture d’une cellule bactérienne infectée pourrait bénéficier aux bactéries voisines, présente des parallèles intéressants avec d’autres types de systèmes de défense, tels que les systèmes d’infection par avortement bactérien ou la mort cellulaire chez les plantes et les animaux induite par la branche innée du virus. le système immunitaire.

Les systèmes CRISPR – Cas sont classés en six types appelés I à VI. La plupart de ces systèmes capturent et stockent de courtes séquences d’ADN viral en tant que «mémoires» génétiques de l’invasion du phage. Ces séquences stockées sont utilisées pour générer des guides d'ARN qui permettent aux enzymes Cas de cibler et de dégrader l'ADN ou l'ARN viral. Les systèmes de type VI intriguent car ce sont les seuls qui détruisent l'ARN viral (Fig. 1) plutôt que l'ADN^–pourtant, la plupart des phages ont un génome d’ADN plutôt que d’ARN.

Les systèmes CRISPR – Cas de type VI, qui utilisent une enzyme appelée Cas13, ont déjà été montrés^, pour répondre à l'infection par des virus à ARN en activant une forme d'activité de dégradation de l'ARN indiscriminée (faible spécificité de séquence) par Cas13. En outre, lorsque les bactéries ont été conçues de manière à ce que Cas13 cible un ARN messager codé par une séquence d'ADN circulaire appelée plasmide, la croissance bactérienne est altérée.^,. Ceci suggère que, en l'absence d'infection par le phage, l'activation de Cas13 et sa destruction aveugle de l'ARN conduisent à la dormance des cellules bactériennes. Mais le rôle éventuel de la dormance dans les processus de défense antivirale demeurait une question sans réponse.

Pour résoudre ce problème, Meeske et al. étudié un système de défense de type VI utilisant la bactérie Listeria ivanovii et le phage d'ADN ϕRR4. Les auteurs ont conçu le système de type VI pour guider Cas13 dans le ciblage de différentes séquences virales du gène RR4, puis ont analysé l'efficacité avec laquelle ce système fournissait une défense antivirale. Cas13 assurait effectivement la défense contre les ARNm viraux et, étonnamment, une protection était obtenue que les ARNm viraux ciblés correspondent ou non à des gènes essentiels à la réplication virale ou qu'ils soient exprimés tôt ou tard au cours d'une infection virale. Il y avait également une dégradation importante de l'ARN bactérien dans les cellules infectées, ce qui a amené les bactéries infectées à entrer dans un état de dormance dans lequel les cellules bactériennes étaient vivantes mais ne pouvaient pas se répliquer.

Cette forme de dormance induite par Cas13 présente de nombreux parallèles avec une autre classe de système de défense phage appelée mécanismes d’infection abortive. Si elles sont infectées par des virus, les bactéries hébergeant des systèmes d’infections abortives entrent en état de sommeil ou déclenchent la mort cellulaire, ce qui assure une défense antivirale au niveau de la population.

La dormance induite par Cas13 après une infection virale offre-t-elle à la population bactérienne élargie une forme de protection appelée immunité de troupeau, dans laquelle des individus résistants aident à ralentir la propagation de l’infection aux membres sensibles de la population? Meeske et ses collègues ont démontré que les bactéries infectées par un phage et possédant une immunité de type VI offraient effectivement une protection croisée antivirale aux cellules voisines de la même souche dépourvues d'immunité contre le virus infectant. Les auteurs ont également observé que, grâce à la dormance induite par Cas13 dans des cellules non infectées, des bactéries qui supprimaient les épidémies virales étaient générées, probablement parce que ces cellules dormantes peuvent agir en tant que cellules "leurres" sacrificielles que les virus ne parviennent pas à infecter, ce qui appauvrit la population virale. .

Une étude L'activité CRISPR – Cas de type I-E a également signalé un arrêt des cellules bactériennes, mais l'effet était probablement dû à une clairance insuffisante des phages, conduisant à une impasse entre les défenses bactériennes et la réplication virale.. En revanche, Meeske et al. démontrer que la dormance bactérienne induite par Cas13 se produit au cours du processus actif de dégradation non discriminante de l'ARN qui est déclenchée à la suite de la reconnaissance de l'ARN viral.

Les systèmes CRISPR – Cas sont confrontés au défi que surviennent des mutants génétiques viraux qui échappent à la reconnaissance par le système de défense. Meeske et al. ont montré que les épidémies de tels virus mutants sont limitées par la présence de virus de type sauvage responsables de la dormance bactérienne induite par Cas13. De même, les auteurs ont constaté que lorsque des bactéries avec des défenses de type VI contre ϕRR4 étaient exposées à un virus non apparenté, le niveau d’infection par le virus non apparenté était réduit si les cellules étaient également exposées à RR4. Ce type de défense à large spectre pourrait offrir des avantages par rapport aux systèmes CRISPR – Cas qui n'induisent pas de dormance et dans lesquels l'infection par des mutants viraux n'est pas affectée par la présence de virus de type sauvage.

La rareté de la défense de type VI par nature par rapport aux autres systèmes CRISPR – Cas fait valoir que la stratégie de type VI pourrait ne pas toujours être supérieure. En effet, d’autres systèmes CRISPR – Cas disposent de méthodes de traitement des virus mutants, telles que l’utilisation de boucles de rétroaction appelées amorçage pour mettre à jour la mémoire cible. ou ayant suffisamment de flexibilité pour reconnaître également les formes mutantes de la cible virale. Probablement, chaque type de stratégie de lutte contre les mutants viraux a des coûts et des avantages différents dans des contextes écologiques particuliers.

La réponse de dormance induite par Cas13 a des implications intéressantes sur la manière dont les systèmes de type VI forment des mémoires d'infections virales. Parce que l'ADN ou l'ARN viral est nécessaire pour former des mémoires CRISPR – Cas, une infection virale et la survie ultérieure des cellules bactériennes sont nécessaires pour mettre à jour un système de défense de type VI contre les virus, y compris ceux jamais rencontrés auparavant, et les virus mutés. Dans les systèmes de type II, les infections échouées par des virus défectueux peuvent permettre une mise à jour de la mémoire sans causer de mort cellulaire.. Cela pourrait également offrir aux systèmes de type VI un moyen d’acquérir de nouveaux souvenirs d’infection virale. Cependant, il serait plus bénéfique que certaines cellules infectées par un virus suppriment l'infection et récupèrent de la dormance induite par Cas13. Si la dormance aide les bactéries à survivre aux infections virales, on pourrait s’attendre à ce que les mémoires bactériennes des virus à ADN stockés par les systèmes de type VI soient orientées vers le ciblage de gènes viraux exprimés au début de l’infection, permettant ainsi la suppression rapide de l’infection virale et une plus grande possibilité de récupération bactérienne.

Curieusement, les auteurs ont découvert que la dormance induite par le ciblage de Cas13 sur un ARNm bactérien pourrait être inversée en l’absence d’infection virale. Toutefois, la capacité d'une cellule bactérienne à survivre ou non à une infection virale dépend probablement du degré de progression de l'infection avant le début de la dormance. La dormance bactérienne déclenchée par certains systèmes d'infection avortée ciblant l'ARN, tels que ToxIN, est réversible en l'absence d'infection virale., mais on ignore s'il en va de même pour la dormance provoquée par une infection virale. Les systèmes CRISPR – Cas de type III activent les enzymes responsables de la destruction aveugle de l'ARN après la reconnaissance spécifique de séquences virales. Cette destruction de l'ARN est inactivée lorsque l'infection virale est supprimée.. Si les cellules peuvent «sortir» de la dormance induite par le système de type VI, un système similaire de contrôle temporel de la dégradation non spécifique de l’ARN pourrait en être responsable.^,. Alternativement, l'activité d'autres facteurs bactériens ou d'autres systèmes de défense antiviraux pourrait aider la récupération bactérienne après une infection virale.

Les conclusions de Meeske et de ses collègues renforcent l’idée que les systèmes de défense CRISPR – Cas dépendent du contexte. D'autres études seront nécessaires pour mieux comprendre comment ces divers systèmes de défense de différentes bactéries s'attaquent aux différents bactériophages qu'ils rencontrent naturellement.