De nouvelles connaissances sur le système immunitaire bactérien

Une équipe de recherche de l’Université de Keele décrit un mécanisme de défense peu connu chez les bactéries qui bloque sélectivement les informations génétiques étrangères et potentiellement nocives.

Depuis la pandémie de coronavirus, la capacité d’évolution particulièrement rapide des micro-organismes tels que les bactéries ou les virus a été mise en évidence. Par exemple, lorsque les virus développent la capacité d’infecter de nouveaux organismes hôtes ou que les bactéries développent une résistance aux antibiotiques, l’internalisation de nouvelles informations génétiques provenant d’autres micro-organismes leur permet d’exprimer rapidement des traits évolutifs avantageux.

Par exemple, les bactéries absorbent de l’ADN étranger par le biais d’un processus appelé transfert horizontal de gènes, qui est beaucoup plus rapide que l’héritage vertical de génération en génération.

Cependant, chaque organisme fait également face à des risques en acquérant des informations génétiques étrangères, car cela peut être dangereux si, par exemple, des gènes importants sont endommagés en s’intégrant dans son propre chromosome, entraînant des défauts importants pour l’organisme dans son ensemble. Par conséquent, les bactéries ont développé plusieurs mécanismes qui les protègent de l’absorption d’ADN nocif. De nombreux processus moléculaires impliqués ont été découverts ces dernières années, conduisant à une version moderne du terme « système immunitaire bactérien ».

Maintenant, une équipe du groupe de biochimie microbienne et de biologie cellulaire de l’Institut de microbiologie générale de l’Université de Keele a démontré la fonction d’un nouveau mécanisme de défense capable d’identifier et, si nécessaire, de décomposer certaines structures d’ADN autonomes et mobiles appelées plasmides chez les bactéries. . Cellules – distinction entre les informations génétiques bénéfiques et nuisibles.

En utilisant la bactérie Corynebacterium glutamicum comme exemple, les chercheurs ont montré que le système protéique dit Mks contient un élément supplémentaire qui peut se lier à l’ADN plasmidique et le couper. Les scientifiques de Keele, dirigés par le professeur Mark Bramkamp, ​​​​ont publié leurs nouvelles découvertes dans Recherche sur les acides nucléiques.

Les protéines régulatrices de l’ADN peuvent également protéger contre les plasmides

Les plasmides sont de petites molécules d’ADN double brin, généralement en forme d’anneau, qui peuvent se répliquer indépendamment du chromosome dans la cellule hôte. Ils jouent un rôle important dans l’écologie et l’évolution des bactéries, car ils constituent un moyen important de transfert latéral de gènes, permettant le transfert rapide d’informations génétiques et donc l’expression d’avantages de sélection. En principe, toutes les bactéries peuvent échanger des plasmides entre elles, même entre espèces.

Cela se produit directement de bactérie à bactérie via un mécanisme de transmission appelé conjugaison. Les plasmides bénéfiques et défavorables utilisent ces ponts entre les cellules bactériennes pour passer d’une bactérie à une autre.

« La manière dont un organisme bactérien traite l’ADN étranger de plasmides nouvellement transfectés n’a pas fait l’objet de nombreuses recherches jusqu’à présent », a déclaré Manuela Weiss, Ph.D. Étudiant dans le groupe de recherche de Bramkamp. « Dans des recherches antérieures, nous avons examiné des systèmes qui sont généralement impliqués dans la régulation de l’ADN dans les cellules bactériennes et, entre autres, en veillant à ce que l’information génétique soit encapsulée dans une forme compacte de chromosomes », poursuit Weiß.

Dans ce contexte, l’équipe de recherche a obtenu des indications préliminaires selon lesquelles C. glutamicum possède deux de ces systèmes, dont l’un n’est pas impliqué dans la régulation des chromosomes, mais peut inhiber la réplication de certains plasmides, bien que le mécanisme responsable de cela n’ait pas été connu auparavant. .

Maintenant, des chercheurs de Kiel, en collaboration avec des experts dirigés par le Dr Anne Marie Wehenkel de l’Institut Pasteur de Paris, ont découvert la coupure d’ADN des Mks dans une étude structurelle. « Nous avons pu démontrer expérimentalement que cette nouvelle sous-unité du système Mks forme une protéine spécifique, appelée endonucléase, qui peut couper l’ADN. Cet élément a pour tâche de décomposer les plasmides afin d’éloigner l’ADN nocif de la cellule bactérienne, tandis que d’autres composants du système Mks sont importants pour la reconnaissance de l’ADN plasmidique », explique Weiß.

Distinguer les plasmides bénéfiques des nuisibles

Les auteurs ont ensuite noté que le système Mks n’analyse apparemment que certains plasmides et qu’il doit donc être lié à un mécanisme de sélection. Une caractéristique importante ici est que le groupe de recherche de Bramkamp travaille avec C. glutamicum, un organisme qui possède naturellement ce système. Par conséquent, leurs fonctions peuvent être étudiées in vivo sans altérer les propriétés biologiques cellulaires en les transférant dans un système modèle.

« Les bactéries utilisent certains plasmides comme source de nouvelles informations génétiques, pas immédiatement vitales. Il est donc évident que le mécanisme de défense doit être sélectif et ne pas détruire tous les plasmides », explique Bramkamp.

« Nous avons pu démontrer que chez C. glutamicum, il y a bien une sélection dirigée en fonction des informations génétiques bénéfiques et néfastes. Lorsque nous avons artificiellement éteint le système Mks, ainsi tous les plasmides sont restés dans les cellules bactériennes, les effets délétères sur la cellule, peut-être en raison du stress de l’ADN, il était évident, cependant, que cela ne se produisait pas lorsque le mécanisme de défense était actif », poursuit Bramkamp.

Avec les travaux en cours, les chercheurs de Kiel présentent de nouvelles découvertes importantes sur le système immunitaire bactérien en général, qui élargissent la compréhension des plasmides en tant que médiateurs d’informations génétiques non seulement bénéfiques mais aussi nocives. À l’avenir, ils veulent découvrir les mécanismes moléculaires qui permettent aux cellules bactériennes de faire la distinction entre les « bons » et les « mauvais » ARNm.

Les nouvelles découvertes ne sont pas seulement importantes pour une compréhension générale de l’organisation et de la reproduction de la vie bactérienne. Une enquête de plus en plus rigoureuse sur le système immunitaire bactérien pourrait également aider à mieux relever les défis appliqués, par exemple, pour mieux modéliser et prédire l’évolution de la résistance aux antibiotiques dans des populations bactériennes spécifiques à l’avenir.