Nouvelles connaissances sur le système immunitaire bactérien
Les protéines chargées de l'organisation de l'ADN peuvent également se défendre contre les plasmides.
Une équipe de chercheurs de l'université de Kiel décrit un mécanisme de défense inconnu chez les bactéries qui écarte sélectivement les informations génétiques étrangères et potentiellement dangereuses.
Prof. Marc Bramkamp
Depuis la pandémie de coronavirus, l'adaptabilité évolutive particulièrement rapide des micro-organismes tels que les bactéries ou les virus a été mise en lumière. Par exemple, lorsque les virus acquièrent la capacité d'infecter de nouveaux organismes hôtes ou que les bactéries développent une résistance aux antibiotiques, l'absorption de nouvelles informations génétiques provenant d'autres micro-organismes leur permet d'exprimer rapidement des caractéristiques avantageuses sur le plan de l'évolution. Les bactéries, par exemple, absorbent de l'ADN étranger par un processus appelé transfert horizontal de gènes, qui est beaucoup plus rapide que l'héritage vertical de génération en génération.
Cependant, tout organisme vivant court également des risques en assimilant des informations génétiques étrangères, car cela pourrait être dangereux si, par exemple, des gènes importants étaient endommagés par l'intégration dans son propre chromosome, ce qui entraînerait des inconvénients majeurs pour l'organisme dans son ensemble. C'est pourquoi les bactéries ont développé de nombreux mécanismes les protégeant de l'absorption d'ADN nocif. Un grand nombre des processus moléculaires impliqués ont été découverts ces dernières années, ce qui a conduit à l'invention récente du terme "système immunitaire bactérien". Aujourd'hui, une équipe du groupe de biochimie microbienne et de biologie cellulaire de l'Institut de microbiologie générale de l'université de Kiel a élucidé la fonction d'un nouveau mécanisme de défense capable d'identifier et, si nécessaire, de décomposer certaines structures d'ADN indépendantes et mobiles appelées plasmides dans les cellules bactériennes, tout en faisant la distinction entre l'information génétique utile et l'information génétique nocive. En utilisant la bactérie Corynebacterium glutamicum comme exemple, les chercheurs ont montré que le système protéique Mks possède un élément supplémentaire capable de se lier à l'ADN plasmidique et de le découper. Les scientifiques de Kiel, dirigés par le professeur Marc Bramkamp, ont publié leurs nouveaux résultats dans la célèbre revue Nucleic Acids Research le 7 mars.
Les protéines chargées de l'organisation de l'ADN peuvent également se défendre 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 leur cellule hôte. Ils jouent un rôle important dans l'écologie et l'évolution des bactéries, car ils sont un vecteur 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 d'une espèce à l'autre. Cela se produit directement de bactérie à bactérie par un mécanisme de transfert connu sous le nom de conjugaison. Les plasmides avantageux et désavantageux utilisent ces ponts entre les cellules bactériennes pour passer d'une bactérie à l'autre.
"La manière dont l'organisme bactérien traite l'ADN étranger provenant de plasmides nouvellement transférés a été peu étudiée jusqu'à présent", souligne Manuela Weiß, doctorante dans le groupe de recherche de Bramkamp. "Dans des recherches antérieures, nous avons étudié des systèmes qui sont généralement impliqués dans l'organisation de l'ADN dans les cellules bactériennes et qui, entre autres, assurent l'empaquetage de l'information génétique sous la forme comprimée des chromosomes", poursuit Mme Weiß. Dans ce contexte, l'équipe de recherche a obtenu de premières indications selon lesquelles C. glutamicum possède deux systèmes de ce type, dont l'un n'est pas impliqué dans l'organisation du chromosome, mais peut empêcher la multiplication de certains plasmides, bien que le mécanisme responsable de ce phénomène ait été inconnu jusqu'à présent.
Les chercheurs de Kiel, en collaboration avec des experts dirigés par le Dr Anne Marie Wehenkel de l'Institut Pasteur de Paris, ont maintenant découvert les ciseaux à ADN du système Mks dans le cadre d'une étude structurelle. "Nous avons pu prouver expérimentalement que cette nouvelle sous-unité du système Mks forme une protéine spécifique, appelée nucléase, qui peut couper l'ADN. Cet élément a pour tâche de dégrader les plasmides afin d'éloigner l'ADN nocif de la cellule bactérienne, tandis que les autres composants du système Mks sont importants pour la reconnaissance de l'ADN plasmidique", résume M. Weiß.
Distinguer les plasmides utiles des plasmides nuisibles
Les chercheurs ont ensuite poursuivi l'observation selon laquelle le système Mks ne dégrade apparemment que certains plasmides et qu'il doit donc être lié à un mécanisme de sélection. Un avantage important est que le groupe de recherche de Bramkamp travaille avec la bactérie C. glutamicum, un organisme qui possède naturellement ce système. Ses fonctions peuvent donc être étudiées in vivo sans que ses propriétés biologiques cellulaires ne soient modifiées par son transfert dans un système modèle. "Les bactéries utilisent certains plasmides comme source d'information génétique nouvelle et non immédiatement vitale. Il est donc évident qu'un mécanisme de défense doit être sélectif et ne pas détruire tous les plasmides", souligne M. Bramkamp. "Nous avons pu prouver que chez C. glutamicum, il existe effectivement une sélection dirigée en fonction de l'information génétique bénéfique et nuisible. Lorsque nous avons désactivé artificiellement le système Mks et que tous les plasmides sont restés dans les cellules bactériennes, des effets néfastes sur la cellule, peut-être déclenchés par le stress de l'ADN, ont été évidents. Toutefois, ces effets ne se sont pas produits lorsque le mécanisme de défense était actif", poursuit M. Bramkamp.
Avec les travaux actuels, les chercheurs de Kiel présentent de nouvelles découvertes importantes sur le système immunitaire bactérien dans son ensemble, qui élargissent la compréhension des plasmides en tant que médiateurs d'informations génétiques non seulement bénéfiques, mais aussi nocives. À l'avenir, ils souhaitent étudier les mécanismes moléculaires qui permettent aux cellules bactériennes de faire la différence entre le "bon" et le "mauvais" ADN mobile. Les nouveaux résultats ne sont pas seulement importants pour la compréhension générale de l'organisation et de la reproduction de la vie bactérienne. L'étude de plus en plus précise du système immunitaire bactérien pourrait également permettre de mieux répondre aux défis posés - et, par exemple, de mieux modéliser et prédire l'évolution de la résistance aux antibiotiques dans certaines populations bactériennes à l'avenir, estime M. Bramkamp.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Manuela Weiß, Giacomo Giacomelli, Mathilde Ben Assaya, Finja Grundt, Ahmed Haouz, Feng Peng, Stéphanie Petrella, Anne Marie Wehenkel and Marc Bramkamp (2023): The MksG nuclease is the executing part of the bacterial plasmid defense system MksBEFG. Nucleic Acids Research First published: 07 March 2023
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