Les virus qui infectent les bactéries sont les entités biologiques les plus abondantes sur la planète. Par exemple, une récente étude simple portant sur 92 pommes de douche et 36 brosses à dents provenant de salles de bains américaines a révélé plus de 600 types de virus bactériens, communément appelés bactériophages ou phages. Une cuillère à café d’eau de mer côtière contient environ 50 millions de phages.
Bien qu’ils passent largement inaperçus, les phages ne nuisent pas aux humains. Au contraire, ces virus gagnent en popularité en tant que biomédicaments destinés à éradiquer les bactéries pathogènes, en particulier celles associées aux infections résistantes aux antibiotiques.
Dans une étude publiée dans la revue Communications naturelles, Gino Cingolani, Ph.D., de l'Université de l'Alabama à Birmingham, et Federica Briani, Ph.D., de l'Università degli Studi di Milano, Milan, Italie, ont décrit la structure moléculaire complète du phage DEV. Le DEV infecte et lyse la bactérie Pseudomonas aeruginosa, un agent pathogène opportuniste de la mucoviscidose et d'autres maladies. DEV fait partie d'un cocktail de phages expérimental développé pour éradiquer l'infection à P. aeruginosa dans le cadre d'études précliniques.
Une caractéristique particulière du DEV est la présence d’une ARN polymérase associée au virion de 3 398 acides aminés à l’intérieur de la capside expulsée dans la bactérie lors de l’infection. De manière inattendue, l'étude de Cingolani et Briani a révélé que l'ARN polymérase associée au virion fait partie d'un moteur d'éjection du génome qui extrait l'ADN du phage de sa tête après que le phage se soit attaché à la surface d'une bactérie Pseudomonas à l'aide de ses fibres de queue et ait pénétré. les membranes externe et interne de la cellule à l'aide de son tube arrière.
« Nous postulons que les principes de conception de l'appareil d'éjection DEV sont conservés dans tous les phages Schitoviridae », a déclaré Cingolani. « En octobre 2024, plus de 220 génomes de Schitoviridae ont été séquencés et sont disponibles dans la base de données publique. Comme ces génomes sont en grande partie non annotés et que de nombreux cadres de lecture ouverts ont des fonctions inconnues, nos travaux ouvrent la voie à l'identification facile de composants structurels lorsque un nouveau phage Schitoviridae est découvert. »
La famille de phages Schitoviridae « représente certains des virus bactériens les moins étudiés en biologie, de plus en plus utilisés en phagothérapie », a déclaré Cingolani. « Nous utilisons la biologie structurale pour déchiffrer les éléments constitutifs et cartographier les produits génétiques. Ceci est vital lorsque la séquence d'acides aminés évolue trop rapidement pour une analyse phylogénétique conventionnelle. »
Les chercheurs ont utilisé la reconstruction localisée par microscopie cryoélectronique, des méthodes biochimiques et des knock-outs génétiques pour décrire l'architecture moléculaire complète du DEV, dont le génome ADN comporte 91 cadres de lecture ouverts qui incluent l'ARN polymérase géante associée au virion. « Ce vRNAP fait partie d'un opéron à trois gènes conservé tous les génomes de Schitoviridae que nous avons analysés », a déclaré Cingolani. « Nous proposons que ces trois protéines soient éjectées dans l'hôte pour former un moteur d'éjection du génome traversant l'enveloppe cellulaire. »
La structure du DEV et de nombreux autres phages ressemble à une version minuscule de l'atterrisseur lunaire de Neil Armstrong de 1969, avec une grosse tête, ou capside, qui contient le génome et des fibres en forme de jambe soutenant le phage lorsqu'il atterrit sur la surface des bactéries, se préparant à infecter la cellule bactérienne vivante.
Les chercheurs ont déterminé les structures de tous les facteurs de capside protéique et des composants de la queue du DEV impliqués dans la fixation de l'hôte. Grâce à des expériences génétiques, ils ont montré que les fibres à longue queue du DEV étaient essentielles à l'infection de P. aeruginosa mais n'étaient pas nécessaires pour infecter les mutants de P. aeruginosa dont le lipopolysaccharide de surface était dépourvu de l'antigène O. En général, les virus s’attachent à différentes molécules de la surface cellulaire lors de la première étape de l’infection.
Bien que cette étude fournisse plusieurs images fixes de la structure du phage, les chercheurs ne comprennent pas complètement le film de l’infection par le DEV. Ils envisagent trois étapes dans ce processus d’infection.
Dans la première étape, lorsqu'un seul phage DEV dérive de manière isolée, ses fibres flexibles à longue queue fluctuent pour améliorer les chances de toucher une molécule de surface du lipopolysaccharide de Pseudomonas. Après le premier contact, les cinq fibres s’attachent pour attacher le phage perpendiculairement à la surface externe bactérienne.
Lors de la deuxième étape, la fibre courte de la queue, qui agit également comme un bouchon de queue, touche un récepteur secondaire sur le Pseudomonas et un signal mécanique libère le bouchon de queue.
Jusqu’à présent, les trois protéines appelées gp73, gp72 et gp71 ont été stockées à l’intérieur de la tête du phage, près de sa queue, avec des formes qui changeront radicalement lorsqu’elles sortiront de la tête du phage. Lors de la troisième étape, lorsque le bouchon disparaît, les trois protéines sont expulsées hors de la tête et dans l’enveloppe cellulaire bactérienne. La protéine principale, gp73, replie sa forme pour former un pore de membrane externe avec un centre creux. En dessous, gp72 se replie en un tube creux qui traverse le périplasme de Pseudomonas, l'espace entre la membrane externe de la bactérie et sa membrane interne. Enfin, gp71 traverse la membrane interne et se replie en un grand moteur d'ARN polymérase dans le cytoplasme bactérien qui tire l'ADN du phage à travers les canaux creux gp73 et gp72 et dans la cellule de Pseudomonas.
Cingolani, professeur au Département de biochimie et de génétique moléculaire, est récemment venu à l'UAB pour diriger le nouveau Centre de biologie structurale intégrative, approuvé cet été par le conseil d'administration du système de l'Université d'Alabama. Le centre aidera les chercheurs de l'UAB à étudier les structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques, telles que les protéines et les acides nucléiques, pour déchiffrer leur fonction et leurs mécanismes d'action.
La biologie structurale intégrative cherche à visualiser un film complet sur le fonctionnement des macromolécules, en utilisant plusieurs méthodes pour visualiser les structures moléculaires et la manière dont elles interagissent les unes avec les autres. L'objectif principal du Centre UAB de biologie structurale intégrative sera l'étude des problèmes biologiques liés à l'infection, à l'inflammation, à l'immunité, au cancer et à la neurodégénérescence.
Les co-auteurs avec Cingolani et Briani dans l'étude DEV, « L'analyse structurale intégrative du phage Pseudomonas DEV révèle un moteur d'éjection du génome », sont Ravi K. Lokareddy, Département de biochimie et de génétique moléculaire de l'UAB ; Chun-Feng David Hou, Rutgers, Université d'État du New Jersey, Piscataway, New Jersey ; Francesca Forti et David S. Horner, Université des études de Milan ; Stephano M. Iglesias et Fenglin Li, Perelman School of Medicine de l'Université de Pennsylvanie, Philadelphie, Pennsylvanie ; et Mikhail Pavlenok et Michael Niederweis, département de microbiologie de l'UAB.
Le soutien est venu des subventions GM100888, GM140733 et OD030457 des National Institutes of Health ; et la Fondazione per la ricerca sulla Fibrosi cistica-Associazione Trentina Fibrosi Cistica ODV In ricordo di Pio Nicolini subvention FFC#15/2021.
