La recherche jette un nouvel éclairage sur l’évolution du système immunitaire CRISPR

Avec de nouvelles connaissances sur la façon dont l’outil génétique CRISPR – qui permet l’édition directe de nos gènes – a évolué et adapté, nous sommes maintenant un pas de plus vers la compréhension de la base de la lutte constante pour la survie qui a lieu dans la nature. Les résultats peuvent être utilisés dans les biotechnologies futures.

En 2020, le prix Nobel de chimie revient à Emmanuelle Charpentier et Jennifer A. Doudna pour leurs découvertes sur le mécanisme moléculaire derrière CRISPR-Cas et l’utilisation de la technologie comme outil génétique. Bien que CRISPR-Cas ait trouvé de nombreuses utilisations en biotechnologie et en médecine, il trouve son origine dans la nature, où il fonctionne comme un système immunitaire microbien.

Tout comme notre système immunitaire se souvient des agents pathogènes auxquels nous avons été exposés plus tôt dans la vie, CRISPR-Cas fournit aux micro-organismes la capacité de répondre rapidement aux virus qu’ils ont déjà rencontrés en stockant une petite quantité d’ADN viral dans leur propre génome.

CRISPR-Cas se trouve naturellement dans la plupart des bactéries ainsi que dans les soi-disant archées. Lorsqu’on examine l’origine de la vie sur Terre, les archées sont particulièrement intéressantes, car elles forment une sorte de «chaînon manquant» entre les bactéries et les cellules des eucaryotes supérieurs comme la nôtre. Les études de ces organismes peuvent donc nous fournir des informations importantes sur la façon dont le système immunitaire CRISPR-Cas a évolué au cours de centaines de millions d’années.

De nouveaux résultats révèlent pourquoi des toxines sont présentes parmi les gènes CRISPR-Cas

Nouveaux résultats de recherche de chercheurs du Département de biologie moléculaire et de génétique de l’Université d’Aarhus – obtenus en étroite collaboration avec d’éminents chercheurs de l’Université de Copenhague et de l’Université Old Dominion en Virginie, États-Unis, et publiés dans deux articles dans des revues internationales de premier plan – maintenant jette un nouvel éclairage sur la façon dont CRISPR-Cas est apparu tôt au cours du développement de la vie sur Terre, ainsi que sur la façon dont ce système immunitaire s’adapte constamment à de nouveaux défis.

Le groupe de recherche d’Aarhus – dirigé par le professeur agrégé Ditlev E. Brodersen – a découvert comment une partie de CRISPR-Cas responsable de l’incorporation d’ADN viral étranger dans le propre génome du micro-organisme provenait d’un autre type de gènes très courant chez les bactéries. et les archées qui codent de manière surprenante pour les toxines.

Les nouvelles connaissances fournissent donc un aperçu d’un processus évolutif dans lequel les gènes de toxines étaient présents tôt au cours du développement de la vie, et au fil du temps ont été intégrés et adaptés dans le cadre des modules CRISPR-Cas que de nombreux micro-organismes possèdent à ce jour. Pour la première fois, nous avons une réponse à une question qui a longtemps intrigué les chercheurs, à savoir pourquoi les gènes de toxines existent parmi les gènes CRISPR-Cas.

Cette compréhension de la manière dont certaines protéines sont «recyclées» dans plusieurs situations différentes est extrêmement utile pour les chercheurs. car quand on comprend tout le répertoire des fonctions que possèdent certaines protéines, cela ouvre la possibilité de les utiliser comme outils spécifiques du génie génétique. Par exemple, il pourrait être possible de faire en sorte que des bactéries pathogènes dirigent leurs systèmes CRISPR-Cas vers elles-mêmes et évitent ainsi l’infection. « 

Dr Ditlev E. Brodersen, professeur agrégé, Université d’Aarhus

Une bataille permanente entre micro-organismes et virus

Dans un autre article, publié dans la célèbre revue, Communications de la nature, les chercheurs décrivent de nouvelles découvertes qui donnent un aperçu de la bataille constante entre les micro-organismes et les virus qui représentent leurs pires ennemis.

Dans une flaque de boue bouillante en Islande vit un organisme très spécial, une archée appelée Sulfolobus islandicus, qui depuis des millions d’années s’est adaptée à la vie dans cet endroit, celle avec une température constante de 80-100 ° C et une acidité correspondant à l’acide gastrique constitue l’un des endroits les plus inhospitaliers de la planète.

Mais même si Sulfolobus a choisi un endroit très peu attrayant pour vivre, il rencontre toujours une résistance, notamment de la part de petits virus à ADN en forme de bâtonnet qui creusent constamment des trous dans les cellules et y injectent leur ADN étranger, provoquant l’explosion de Sulfolobus dans un richesse de nouvelles particules virales. Pour éviter ce sort, Sulfolobus a développé une défense CRISPR-Cas, par laquelle il a stocké de petites parties de l’ADN viral dans son propre génome pour pouvoir résister à ces attaques.

Anti-CRISPR – Bouleverser l’applecart

Mais dans la bataille sans cesse croissante entre la vie et la mort, le virus a développé une contre-mesure: il a réussi à faire face en produisant une petite arme, une protéine anti-CRISPR qui, comme bouleverser l’applecart, bloque la réponse CRISPR-Cas dans Sulfolobus.

Les nouveaux résultats du groupe de Ditlev E. Brodersen à l’Université d’Aarhus – générés en étroite collaboration avec le professeur associé Xu Peng du département de biologie de l’Université de Copenhague – montrent maintenant pour la première fois comment ce combat se déroule dans les piscines en ébullition.

Les chercheurs ont pu visualiser comment la protéine anti-CRISPR se lie fortement à la plus grosse protéine du système CRISPR-Cas, l’empêchant ainsi directement de détruire l’ADN viral. De cette façon, le virus contourne – au moins pendant un certain temps – être battu par CRISPR-Cas. Les nouveaux résultats donnent aux scientifiques un aperçu de la course aux armements qui se déroule constamment dans la nature, et comment l’évolution de la vie est en fait une lutte constante pour la survie.

– « Nous connaissons maintenant les détails de la façon dont la protéine anti-CRISPR peut bloquer le système immunitaire CRISPR-Cas, la question est donc de savoir quelle sera la prochaine étape dans cette course aux armements », déclare Ditlev Brodersen. «Peut-être que les microbes commenceront à former des protéines anti-anti-CRISPR, un troisième type de protéine qui peut empêcher la protéine anti-CRISPR de fonctionner, mais nous n’avons pas encore trouvé ces protéines dans Sulfolobus archaea. La moitié du terrain de Sulfolobus « , dit Ditlev Brodersen, » et la guerre froide est toujours chaude dans la mare bouillante « .