Une "épingle à cheveux" intégrée empêche les ARN CRISPR de s'égarer
Une équipe de chercheurs découvre un mécanisme d'optimisation dans le système CRISPR-Cas13
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Le système d'édition de gènes CRISPR-Cas est depuis longtemps au centre de la recherche en tant qu'outil prometteur pour l'édition du génome. Toutefois, l'accent a été mis sur ses mécanismes sous-jacents et ses nucléases. En revanche, peu de recherches ont porté sur l'évolution et l'optimisation des systèmes CRISPR-Cas. En collaboration avec les universités de Leipzig, de Fribourg et du Michigan (États-Unis), une équipe de chercheurs de l'Institut Helmholtz de recherche sur les infections à base d'ARN (HIRI) de Würzburg a découvert un mécanisme d'optimisation dans CRISPR-Cas13, ce qui permet de mieux comprendre l'évolution de ces systèmes. Les résultats ont été récemment publiés dans l'EMBO Journal.
Les systèmes CRISPR-Cas sont les seuls systèmes immunitaires acquis connus chez les bactéries. Ils peuvent stocker des informations génétiques provenant de phages attaquants - des virus qui infectent les bactéries - afin de lutter contre de futures infections. Dans les réseaux CRISPR, qui sont des séquences d'ADN, un fragment d'ADN du phage attaquant est archivé entre deux répétitions de séquences fixes. Chaque fragment viral produit un acide ribonucléique CRISPR (crRNA), qui indique au système de reconnaître le même intrus en cas de nouvelle attaque.
Le mécanisme sous-jacent est complexe et se compose de plusieurs éléments qui fonctionnent simultanément. Toutefois, ces composants peuvent interférer les uns avec les autres. Par exemple, pour qu'un réseau CRISPR puisse être stocké, il doit commencer et se terminer par une répétition. Il en résulte une répétition de trop à l'une des extrémités, ce qui produit un ARN CRISPR sans aucun "extrait viral". "L'ARN CRISPR résultant, connu sous le nom d'ARN CRISPR étranger (ecrRNA), est au mieux un gaspillage. Au pire, il distrait la machinerie CRISPR et l'empêche de rechercher des virus infectants", explique Chase Beisel, chef de département affilié à HIRI et membre de la faculté de l'Institut Botnar d'ingénierie immunitaire à Bâle, en Suisse. Beisel est à l'origine de cette recherche, qui a récemment été publiée dans l'EMBO Journal.
Mais la nature a une solution : Dans une étude publiée en 2022 dans Nature Microbiology, M. Beisel et son équipe ont démontré qu'un type de système CRISPR-Cas, qui utilise les nucléases Cas9 pour couper l'ADN, peut empêcher la formation d'ecrRNA en introduisant un ARN supplémentaire en amont de la répétition problématique. "L'ARN se lie à la première répétition et veille à ce qu'elle ne soit pas reconnue par la machinerie CRISPR", explique M. Beisel.
Pendant longtemps, on n'a pas su si d'autres systèmes CRISPR-Cas utilisaient également cette solution. En collaboration avec des scientifiques des universités de Leipzig, de Fribourg et du Michigan aux États-Unis, 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 cherché à savoir si les systèmes CRISPR-Cas13 - qui ressemblent peu aux systèmes CRISPR-Cas9 - produisent des ARNec et, dans l'affirmative, comment ils les neutralisent.
Une solution intersystème
"Nous avons découvert que de nombreux systèmes CRISPR-Cas13 utilisent également un ARN pour empêcher la formation d'ARNec", explique Angela Migur, ancienne chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Chase Beisel. Avec la première répétition, cet ARN protecteur forme une structure stable ressemblant à une épingle à cheveux. Cela empêche la nucléase Cas13 de se lier à la répétition, de la traiter et de produire ainsi un ARNec. "L'apparition de l'épingle à cheveux était inattendue, car les systèmes CRISPR-Cas9 et CRISPR-Cas13 ont évolué indépendamment l'un de l'autre et fonctionnent très différemment", ajoute M. Migur. "Il est toutefois surprenant de constater que les mécanismes qui inhibent la formation de l'ecrRNA sont très similaires.
Ces observations mettent en évidence un cas remarquable d'évolution convergente : différents systèmes CRISPR-Cas ont développé indépendamment des mécanismes permettant de surmonter des obstacles communs à la défense immunitaire.
L'équipe a également constaté que tous les systèmes CRISPR-Cas ne dépendent pas de cet ARN protecteur. Le facteur décisif était de savoir si la répétition supplémentaire se trouvait au début ou à la fin du réseau CRISPR. Cette observation suggère qu'il existe encore d'autres stratégies distinctes à découvrir pour améliorer l'efficacité des systèmes CRISPR-Cas.
Nouvelles perspectives de recherche
Les nucléases Cas13 sont désormais largement utilisées comme outils de recherche et comme méthode non permanente d'édition de gènes au niveau de l'ARN. La découverte de l'équipe de recherche pourrait contribuer à rendre ces systèmes plus efficaces en garantissant que seuls les ARN CRISPR prévus sont produits. En outre, il est possible d'inhiber la défense virale par le système CRISPR-Cas à l'aide d'ecrRNA, ce qui rendrait l'outil génétique plus facile à contrôler.
Bien que la recherche ait déjà déployé d'énormes efforts pour caractériser les nouveaux systèmes CRISPR-Cas, elle s'est principalement concentrée sur les mécanismes fondamentaux de l'immunité adaptative, en particulier sur les propriétés des nucléases respectives. Cependant, peu de recherches ont été effectuées jusqu'à présent sur la façon dont les composants individuels de ces systèmes sont coordonnés de manière optimale afin de garantir que leur interaction est aussi efficace que possible. Cette étude a mis en évidence un inconvénient de la structure des réseaux CRISPR, qui peut être facilement corrigé par un simple ARN en épingle à cheveux. "Nous espérons que notre travail encouragera la communauté des chercheurs à étudier plus intensivement les limites des systèmes CRISPR-Cas et d'autres mécanismes de défense bactériens. En même temps, il est important de clarifier les stratégies que ces systèmes ont développées pour surmonter ces obstacles le plus efficacement possible", a déclaré M. Beisel.
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.
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