Au-delà des ciseaux à gènes : découverte d'un nouveau mécanisme CRISPR

Les bactéries disposent d'une grande variété de mécanismes pour repousser les envahisseurs tels que les virus. L'une de ces stratégies consiste à couper les acides ribonucléiques de transfert (ARNt), qui sont présents dans toutes les cellules et jouent un rôle fondamental dans la traduction de l'ARN messager (ARNm) en protéines essentielles. Leur inactivation limite la production de protéines, ce qui entraîne la mise en sommeil de la cellule infectée. L'agresseur ne peut donc pas continuer à se répliquer et à se propager au sein de la population bactérienne.

Les systèmes CRISPR-Cas constituent un moyen de défense bactérien courant qui n'a pas encore été associé au clivage de l'ARNt. CRISPR utilise des protéines guidées par l'ARN, connues sous le nom de nucléases Cas (de CRISPR-associated), pour reconnaître les envahisseurs sur la base de leur matériel génétique et les désactiver. Une fois l'agent pathogène identifié, les nucléases déclenchent une réponse immunitaire propre à chaque système. Cette réponse comprend, par exemple, le clivage de l'ADN étranger ou l'arrêt de la croissance par la dégradation généralisée de l'ARN et de l'ADN. Ces mécanismes ont déjà été utilisés par l'humanité de nombreuses manières, et CRISPR a été reconnu comme une base importante pour les technologies d'édition du génome. Toutefois, on ignorait jusqu'à présent que CRISPR-Cas ciblait aussi préférentiellement les ARNt dans le cadre d'une réponse immunitaire.

Une découverte inattendue

Des chercheurs de l'Institut Helmholtz de recherche sur les infections à base d'ARN (HIRI), un site du Centre Helmholtz de Braunschweig pour la recherche sur les infections (HZI) en coopération avec l'Université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU), ont collaboré avec des scientifiques du HZI et de l'Université d'État de l'Utah (USU) pour découvrir un nouveau mécanisme CRISPR qui cible les ARNt. "Ces résultats étaient totalement inattendus", déclare Chase Beisel, chef de département affilié au HZI et auteur correspondant de l'étude, qui a été publiée aujourd'hui dans la revue Nature. "Notre équipe travaillait en fait sur des protéines associées à une nucléase unique appelée Cas12a2", ajoute-t-il.

Dans deux études publiées dans la revue Nature en janvier 2023, des équipes dont faisait partie Chase Beisel ont décrit comment elles avaient trouvé Cas12a2 dans une famille de nucléases qui clivent exclusivement l'ADN. En revanche, Cas12a2 était capable de cliver largement à la fois l'ARN et l'ADN. "Nous avons émis l'hypothèse que cette famille de protéines pouvait contenir d'autres fonctions spéciales. Et nous avions raison : nous avons trouvé Cas12a3 avec ses propriétés uniques", ajoute Oleg Dmytrenko, ancien postdoc dans le laboratoire de Beisel et premier auteur de l'étude récemment publiée dans Nature.

L'opposé polaire

Comme Cas12a2, Cas12a3 utilise également un guide ARN pour reconnaître les séquences d'ARN étrangères. Cependant, en cas de correspondance, Cas12a3 change de forme, puis se lie à une région spécifique de l'ARNt, à savoir sa queue, et la clive. "Cette précision fait de Cas12a3 l'opposé polaire de son parent le plus proche, Cas12a2, qui coupe de manière non spécifique mais globale", explique Ryan Jackson, professeur à l'USU et auteur correspondant de l'étude.

La queue 3' est la partie la plus conservée de tous les ARNt. Cela signifie qu'elle est restée la même dans de nombreux organismes. Cette région est cruciale pour la fonction et la stabilité de l'ARNt et n'a donc pratiquement pas changé au cours de l'évolution. Un acide aminé activé, le principal élément constitutif des protéines, y est attaché. Au cours de la traduction des protéines, les acides aminés sont transférés de l'ARNt à la chaîne polypeptidique en croissance. L'élimination de la queue de l'ARNt est donc un moyen efficace de bloquer la production de protéines, un processus vital pour la cellule.

La structure de Cas12a3, que l'équipe a pu découvrir par cryo-microscopie électronique au HZI, révèle comment la nucléase reconnaît les ARNt : Nous avons pu identifier une partie unique que nous avons baptisée "domaine de chargement de l'ARNt"", explique Dirk Heinz, chef de département au HZI et co-auteur correspondant. "Sa tâche consiste à positionner précisément la queue de l'ARNt au bon endroit pour le clivage", ajoute Biao Yuan, postdoc dans le laboratoire de Heinz et également premier auteur de l'article.

Les chercheurs ont pu exploiter directement cette haute précision : ils ont combiné Cas12a3 avec deux autres nucléases qui clivent également avec précision, mais qui se concentrent sur d'autres ARN distincts. Ce faisant, l'équipe a pu détecter simultanément les ARN de trois virus différents : le virus de la grippe, le virus respiratoire syncytial (VRS) et le SARS-CoV-2. "Cela ne nous a pas seulement permis de repousser les limites des diagnostics basés sur CRISPR. Les résultats de nos recherches pourraient également ouvrir la voie à des tests de point de service rentables et faciles à réaliser pour un large éventail de maladies", déclare M. Beisel.

Une diversité cachée

Le clivage des queues d'ARNt représente une nouvelle réponse immunitaire CRISPR et démontre la diversité des moyens utilisés par les bactéries pour lutter contre les infections. Ces travaux mettent ainsi en lumière l'immense diversité fonctionnelle qui se cache dans les mécanismes de défense bactériens déjà connus et qui doit être étudiée.

L'équipe de recherche a déjà planifié ses prochaines étapes : "Dans l'espoir de découvrir d'autres variations, nous voulons explorer encore plus en profondeur cette petite partie des mécanismes de défense CRISPR", explique Heinz. "En outre, nous prévoyons de faire de Cas12a3 une technologie utilisable pour le diagnostic moléculaire et d'autres applications", conclut Jackson.