Les outils CRISPR trouvés dans des milliers de virus pourraient stimuler l’édition de gènes

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Les systèmes CRISPR-Cas sont courants dans le monde microbien des bactéries et des archées, où ils aident souvent les cellules à repousser les virus. Mais une étude publiée le 23 novembre dans Cell trouve des systèmes CRISPR-Cas dans 0,4 % des séquences génomiques accessibles au public provenant de virus pouvant infecter ces microbes. Les chercheurs pensent que les virus utilisent CRISPR-Cas pour se faire concurrence – et potentiellement aussi pour manipuler l’activité des gènes chez leur hôte à leur avantage. Certains de ces systèmes viraux étaient capables d’éditer des génomes de plantes et de mammifères et possèdent des caractéristiques (telles qu’une structure compacte et une édition efficace) qui pourraient les rendre utiles en laboratoire. “Il s’agit d’un pas en avant significatif dans la découverte de l’énorme diversité des systèmes CRISPR-Cas”, déclare la biologiste informatique Kira Makarova du Centre national américain d’information sur la biotechnologie à Bethesda, Maryland. “Il y a beaucoup de nouveautés découvertes ici”.

Les phages, comme ceux qui éclatent d’une cellule bactérienne, ont volé le système CRISPR à leurs hôtes. © Dennis Kunkel Microscopie/Source scientifique.


Le célèbre outil d’édition de gènes CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) a commencé comme une défense bactérienne contre les virus envahisseurs. Mais il s’avère que les cibles visées ont volé CRISPR pour leurs propres arsenaux. Une nouvelle étude révèle que des milliers de virus attaquant les bactéries connus sous le nom de bactériophages (phages, en abrégé) contiennent les séquences génétiques du système CRISPR, suggérant qu’ils pourraient les déployer contre des phages rivaux. Cette découverte témoigne de la puissance de l’arme moléculaire et pourrait rendre CRISPR encore plus précieux en tant qu’éditeur de gènes de laboratoire. La découverte “ouvre les portes à de nouvelles applications possibles des systèmes CRISPR”, déclare le génomique Mazhar Adli de la Feinberg School of Medicine de l’Université Northwestern, qui n’était pas lié à la recherche.

Le système CRISPR-Cas, l’intelligence de la vie

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Comme les autres virus, les phages ne peuvent pas se reproduire par eux-mêmes. Au lieu de cela, ils détournent la machinerie moléculaire des bactéries, tuant souvent leurs hôtes dans le processus. Environ 40% des bactéries échantillonnées et 85% des archées échantillonnées ont des systèmes CRISPR-Cas. Souvent, ces microbes peuvent capturer des morceaux du génome d’un virus envahisseur et stocker les séquences dans une région de leur propre génome, appelée matrice CRISPR. Elle comprend des segments répétitifs d’ADN qui correspondent aux séquences de phages rencontrés précédemment. Les puces CRISPR servent ensuite de modèles pour générer des ARN qui dirigent les enzymes associées à CRISPR (Cas, qui agit comme une paire de ciseaux génétiques) pour couper  le génome viral à des endroits spécifiques et potentiellement, d’arrêter les infections virales. Bien que mieux connu comme un outil utilisé pour modifier les génomes en laboratoire, CRISPR-Cas fonctionne donc dans la nature comme un système immunitaire rudimentaire.

Les virus captent parfois des extraits des génomes de leurs hôtes, et les chercheurs avaient déjà trouvé des exemples isolés de CRISPR-Cas dans les génomes viraux. Si ces morceaux d’ADN volés donnent au virus un avantage concurrentiel, ils pourraient être conservés et progressivement modifiés pour mieux servir le mode de vie viral. Par exemple, un virus qui infecte la bactérie Vibrio cholera utilise CRISPR-Cas pour découper et désactiver l’ADN de la bactérie qui code les défenses antivirales.

L’étude et ses résultats

L’ADN caractéristique qui code les composants du système CRISPR était auparavant apparu dans une poignée de phages. Mais les scientifiques considéraient ces découvertes comme de simples “curiosités”, explique la biologiste structurale Jennifer Doudna de l’Université de Californie (UC) à Berkeley, qui a partagé le prix Nobel de chimie 2020 pour avoir montré comment adapter le système CRISPR pour cibler des séquences particulières. “Mais ils nous ont amenés à nous demander si ces systèmes étaient plus courants”.

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Pour le savoir, Jennifer Doudna, la géomicrobiologiste de l’UC Berkeley Jillian Banfield et leurs collègues sont allés chercher d’autres exemples de CRISPR dans le monde des phages. Ils ont sondé l’ADN prélevé dans une variété d’environnements riches en hôtes bactériens pour les virus, y compris le sol et la bouche humaine. Ce chalut a découvert plus de 6000 types de phages contenant l’ADN du système CRISPR, rapportent les scientifiques en ligne aujourd’hui dans Cell. Ils ont également examiné les séquences du génome du phage qui avaient été publiées dans des bases de données en ligne et ont trouvé encore plus d’instances de virus porteurs de CRISPR. Bien que moins de 1% des phages arborent les séquences, les chercheurs ne s’attendaient pas à “une distribution aussi large d’un système anti-phage dans les phages”, explique Doudna.

Les phages (vus ici attaquant une cellule bactérienne) pourraient utiliser les systèmes CRISPR-Cas pour entrer en compétition les uns avec les autres – ou pour manipuler l’activité des gènes chez leurs hôtes. © Biophoto Associates/SPL.

Pourquoi les phages acquerraient-ils un système qui a évolué pour les contrecarrer? La raison la plus probable, dit Doudna, est de battre la concurrence. Plusieurs virus peuvent attaquer une bactérie en même temps, entraînant des “guerres de phages” à l’intérieur d’une cellule infectée, dit-elle. Les bactéries sont également vulnérables aux brins d’ADN voyous connus sous le nom de plasmides qui contraignent les cellules à les copier. En détruisant ces rivaux avec le système CRISPR, les phages “peuvent disposer de la machinerie de réplication pour eux seuls”, explique Doudna. Les phages ont vraisemblablement balayé ces séquences du système CRISPR de leurs victimes microbiennes, dit-elle. Depuis lors, les virus ont personnalisé les systèmes à leurs propres fins. Par exemple, certains phages semblent avoir perdu la capacité de générer certaines molécules capables de tuer les bactéries, éventuellement de préserver leurs hôtes pour produire plus de phages.

Portée de l’étude

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Aujourd’hui, la plupart des approches basées sur CRISPR reposent sur l’enzyme Cas9 pour couper l’ADN. Cependant, Cas9 est si grand qu’il ne peut pas entrer dans certains virus utilisés pour modifier génétiquement les cellules. Bien que les chercheurs aient découvert d’autres petites enzymes Cas dans la nature, bon nombre d’entre elles ont jusqu’à présent été relativement inefficaces pour les applications d’édition du génome. Les astuces d’édition de gènes des phages pourraient inspirer de nouvelles biotechnologies.

En effet, les résultats de cette étude suggèrent que les enzymes virales Cas pourraient rejoindre une collection croissante d’outils d’édition de gènes découverts dans les microbes. Un certain nombre de phages, proposent une version allégée connue sous le nom de Cas-lambda (Casλ ) qui est environ 50% plus petite, ont découvert l’équipe de Doudna et Banfield. Adli dit que cette enzyme plus petite pourrait permettre de nouvelles applications d’édition de gènes pour CRISPR, telles que la modification des génomes des plantes, bien que les chercheurs devraient d’abord surmonter plusieurs obstacles de bio-ingénierie.

En attendant, les chercheurs continueront à rechercher des microbes pour des améliorations potentielles aux systèmes CRISPR-Cas connus. Makarova prévoit que les scientifiques rechercheront également des systèmes CRISPR-Cas qui ont été captés par des plasmides – des morceaux d’ADN qui peuvent être transférés d’un microbe à l’autre. «Chaque année, des milliers de nouveaux génomes deviennent disponibles, et certains d’entre eux proviennent d’environnements très distincts», dit-elle. «Alors ça va vraiment être intéressant».

Résumé de la publication

Les systèmes CRISPR-Cas sont des voies codées par l’hôte qui protègent les microbes contre les infections virales à l’aide d’un mécanisme adaptatif guidé par l’ARN. En utilisant la métagénomique résolue sur le génome, nous constatons que les systèmes CRISPR sont également codés dans divers bactériophages, où ils se présentent sous la forme de systèmes antiviraux divergents et hypercompacts. Les systèmes CRISPR codés par des bactériophages appartiennent aux six types CRISPR-Cas connus, bien que certains manquent de composants cruciaux, suggérant des rôles fonctionnels alternatifs ou une complémentation de l’hôte. Nous décrivons plusieurs nouvelles protéines de type Cas9 et 44 familles liées aux systèmes CRISPR-Cas de type V, y compris la famille des nucléases guidées par l’ARN Casλ. Parmi les nouvelles enzymes identifiées les plus divergentes, Casλ reconnaît l’ADN double brin à l’aide d’un ARN CRISPR (ARNc) de structure unique. La structure Casλ-ARN-ADN déterminée par microscopie cryoélectronique révèle une architecture bilobée compacte capable d’induire l’édition du génome dans les cellules de mammifères, d’Arabidopsis et de blé hexaploïde. Ces découvertes révèlent une nouvelle source d’enzymes CRISPR-Cas dans les phages et soulignent leur valeur en tant qu’éditeurs du génome dans les cellules végétales et humaines.

Références

  1. Basem Al-Shayeb et al., Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors, Cell, Volume 185, ISSUE 24, P4574-4586.e16, November 23, 2022, doi : 10.1016/j.cell.2022.10.020
  2. Science, doi : https://doi.org/10.1126/science.adf9693
  3. Heidi Ledford, doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03837-8

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