Chaque créature vivante sur Terre doit se protéger des choses qui lui feraient du mal. Les bactéries ne sont pas différentes. Et malgré leur relative simplicité, ils déploient des stratégies défensives remarquablement averties contre les envahisseurs viraux. Le plus connu est CRISPR-CAS9, adapté à l'utilisation humaine comme première technique d'édition génétique approuvée par la FDA.
Au cours de la dernière année, des chercheurs du Rockefeller's Laboratory of Bactériologie, dirigés par Luciano Marraffini, et au Laboratoire de biologie structurelle du MSKCC, dirigé par Dinshaw Patel, ont étudié les principaux composants immunitaires de certains systèmes CRISPR appelés effecteurs Carf. Ces armes nouvellement découvertes adoptent des approches différentes pour atteindre le même objectif: arrêter l'activité cellulaire, ce qui empêche un virus de se propager dans le reste de la population bactérienne.
Dans une publication récente dans Scienceles scientifiques annoncent le plus récent effecteur Carf qu'ils ont découvert, qu'ils ont inventé Cat1. Grâce à une structure moléculaire inhabituellement complexe, cette protéine peut épuiser un métabolite essentiel pour la fonction cellulaire. Laissé sans carburant, les plans de l'envahisseur viral pour un autre attaque sont mis à l'arrêt.
Le travail collectif de nos laboratoires révèle à quel point les effecteurs CARF sont efficaces et différents. La gamme de leurs activités moléculaires est assez incroyable. «
Luciano Marraffini, Laboratoire de bactériologie de Rockefeller
Plusieurs systèmes de défense
CRISPR est un mécanisme des systèmes immunitaires adaptatifs des bactéries et d'autres organismes unicellulaires qui offre une protection contre les virus, appelés phages. Les six types de systèmes CRISPR fonctionnent à peu près de la même manière: un ARN CRISPR identifie le code génétique étranger, qui déclenche une enzyme CAS pour médier une réponse immunitaire, déclenchant souvent le matériau envahisseur.
Mais un ensemble croissant de preuves indique que les systèmes CRISPR déploient une grande variété de stratégies défensives au-delà des ciseaux génétiques. Le laboratoire de Marraffini a ouvert la voie à une grande partie de cette recherche. En particulier, ils ont étudié une classe de molécules dans les systèmes CRISPR-CAS10 appelés effecteurs CARF, qui sont des protéines qui sont activées lors de l'infection par phage d'une bactérie.
On pense que l'immunité effecteurs de la CARF fonctionne en créant un environnement inhospitalier pour la réplication virale. Par exemple, l'effecteur CAM1 CARF provoque la dépolarisation de la membrane d'une cellule infectée, tandis que CAD1 déclenche une sorte de fumigation moléculaire, inondant une cellule infectée avec des molécules toxiques.
Gel métabolique
Pour la présente étude, les chercheurs ont voulu essayer d'identifier des effecteurs CARF supplémentaires. Ils ont utilisé Foldseek, un puissant outil de recherche d'homologie structurelle, pour trouver Cat1.
Ils ont constaté que Cat1 est alerté de la présence d'un virus par la liaison des molécules de messager secondaires appelées tétra-adénylate cycliques, ou CA4qui stimule l'enzyme à cliver un métabolite essentiel dans la cellule appelée NAD+.
« Une fois une quantité suffisante de NAD+ est clivé, la cellule entre dans un état d'arrêt de la croissance « , explique le co-premier auteur Christian Baca, un étudiant diplômé du TPCB dans le laboratoire de Marraffini. » Avec une fonction cellulaire sur la pause, le phage ne peut plus se propager et se propager au reste de la population bactérienne. De cette façon, Cat1 est similaire à CAM1 et CAD1 en ce qu'ils fournissent tous une immunité bactérienne au niveau de la population. «
Complexité unique
Mais bien que sa stratégie immunitaire puisse être similaire à ces autres effecteurs CARF, sa forme n'est pas, en tant que co-prime auteur Puja Majumder, un boursier de recherche postdoctorale dans le laboratoire de Patel, révélé par une analyse structurelle détaillée en utilisant Cryo-EM.
Elle a constaté que la protéine Cat1 a une structure étonnamment complexe dans laquelle les dimères Cat1 sont collés par Ca4 Molecule signal, formant de longs filaments lors d'une infection virale et piégeant le NAD+ métabolites dans les poches moléculaires collantes. « Une fois le NAD+ Le métabolite est clivé par les filaments Cat1, il n'est pas disponible pour la cellule « , explique Majumder.
Mais la complexité structurelle singulière de la protéine ne s'arrête pas là, ajoute-t-elle. « Les filaments interagissent les uns avec les autres pour former des faisceaux en spirale trigonaux, et ces faisceaux peuvent ensuite se développer pour former des faisceaux spiraux pentagonaux », dit-elle. Le but de ces composants structurels reste à étudier.
Le fait que Cat1 semble souvent inhabituel semble souvent fonctionner seul. « Normalement, dans les systèmes CRISPR de type III, vous avez deux activités qui contribuent à l'effet d'immunité », explique Baca. « Cependant, la plupart des bactéries qui codent pour Cat1 semblent principalement compter sur Cat1 pour leur effet d'immunité. »
Marraffini dit que ces résultats posent de nouvelles questions intrigantes. « Bien que je pense que nous avons prouvé que les effecteurs de la CARF sont excellents pour empêcher la réplication des phages, nous avons encore beaucoup à apprendre sur les détails de la façon dont ils le font. Il sera fascinant de voir où ce travail nous mène ensuite. »
