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Nous recevons la moitié de nos gènes de chaque parent biologique. C’est pourquoi nous héritons d’un mélange de caractéristiques des deux. Cependant, pour les organismes unicellulaires tels que les bactéries qui se reproduisent en se scindant en deux cellules identiques, l’injection de variantes dans leur groupe génique n’est pas si facile. Les mutations aléatoires ajoutent un peu de diversité, mais il existe un moyen beaucoup plus rapide pour les bactéries de remanier leurs gènes et de conférer des avantages évolutifs comme la résistance aux antibiotiques.

Bloquer les gènes nuisibles

Connu sous le nom de transfert horizontal de gènes, ce processus permet aux bactéries de transmettre des fragments d’ADN à leurs pairs, ce qui permet dans certains cas d’intégrer ces gènes dans le génome du destinataire et de les transmettre à la génération suivante. Le laboratoire Grossman du département de biologie du MIT étudie une classe d’ADN mobile, appelée éléments intégratifs et conjugatifs (ICE) – qui sont essentiellement des séquences d’ADN génomiques qui ont la capacité de s’exciser du génome de la cellule hôte et de se répliquer, afin de se transférer horizontalement vers d’autres bactéries par le mécanisme de conjugaison.
Alors que les ICE contiennent des gènes qui peuvent être bénéfiques pour la bactérie réceptrice, il y a aussi un problème: recevoir un duplicata d’une ICE est une perte de temps, voire mortelle dans certains cas. Les biologistes ont récemment découvert un nouveau système grâce auquel un ICE, ICEBs1, empêche une bactérie donneuse de délivrer une deuxième copie potentiellement mortelle.
«Comprendre comment ces éléments fonctionnent et comment ils sont régulés nous permettra de déterminer ce qui conduit à l’évolution microbienne», déclare Alan Grossman, chef de département et auteur principal de l’étude. « Cela permet non seulement de comprendre comment les bactéries bloquent les transferts génétiques non désirés, mais également de déterminer comment nous pourrions éventuellement mettre au point un tel système à notre avantage. »
L’ancienne étudiante diplômée Monika Avello, Ph.D. ’18 et l’actuelle étudiante diplômée Kathleen Davis sont les copremières auteures de l’étude, qui a été publiée dans Molecular Microbiology.
Bien que les plasmides soient les médiateurs les plus connus du transfert horizontal, les ICE sont non seulement plus nombreux que les plasmides dans la plupart des espèces bactériennes, mais ils possèdent également leurs propres outils pour sortir du donneur, entrer dans le receveur et s’intégrer dans son chromosome. Une fois que la bactérie du donneur est entrée en contact avec le receveur, la machinerie codée par l’ICE peut pomper l’ADN de ICE d’une cellule à l’autre par un très petit canal.
Le laboratoire Grossman travaille sur Bacillus subtilis, un virus à Gram positif, et avait précédemment découvert deux mécanismes grâce auxquels les ICEB1 pourraient empêcher le transfert redondant avant qu’il ne devienne mortel. Le premier; la signalisation cellule-cellule, implique que la ICE de la cellule réceptrice libère un signal chimique interdisant l’assemblage de la machine de transfert du donneur. La seconde, l’immunité, commence si la copie dupliquée est déjà à l’intérieur de la cellule et empêche la réplication d’être intégrée dans le chromosome.
Toutefois, lorsque les chercheurs ont tenté d’éliminer simultanément ces deux dispositifs de sécurité, plutôt que de rétablir le transfert ICE comme prévu, la bactérie a quand même réussi à obstruer le duplicata. Les ICEB1 semblaient avoir une troisième stratégie de blocage, mais que pourrait-elle être?

La troisième tactique

Dans cette étude ils ont identifié ce mécanisme de blocage mystérieux comme un type «d’exclusion d’entrée», selon lequel la ICE de la cellule réceptrice code un mécanisme moléculaire qui empêche physiquement la seconde copie de pénétrer dans la paroi cellulaire. Le laboratoire Grossman a déterminé que ce mécanisme d’exclusion se résumait à deux protéines-clés. La première protéine, YddJ, exprimée par l’ICEBs1 dans la bactérie réceptrice, formant un «revêtement protecteur» à l’extérieur de la cellule et bloquant l’entrée d’une seconde ICE.
Mais les biologistes ne savaient toujours pas quelle pièce de la machine de transfert bloquée par YddJ bloquait l’entrée d’une seconde ICE. Davis a donc procédé à un criblage et à diverses manipulations génétiques pour localiser la cible de YddJ. Il s’est avéré que YddJ obstruait une autre protéine appelée ConG, qui fait probablement partie du canal de transfert entre les bactéries donneuse et receveuse. Davis a été surpris de constater que, alors que les ICE à Gram négatif encodent une protéine assez similaire à ConG, l’équivalent de YddJ à Gram négatif est en réalité très différent.
«Cela montre simplement que vous ne pouvez pas supposer que les mécanismes de transfert dans les ICE à Gram positif, comme les ICEB1, sont identiques aux ICE à Gram négatif qui sont bien connus», explique-t-elle. L’équipe a conclu que les ICEB1 doivent disposer de trois mécanismes différents pour empêcher les transferts en double: les deux qu’ils avaient découverts auparavant, ainsi que le nouveau; l’exclusion.

Contrôler le mouvement des ICE pour la recherche sur les maladies

Alors que les chercheurs continuent à explorer ce mécanisme de blocage, il serait peut-être possible de tirer parti de l’exclusion pour concevoir des bactéries ayant des fonctions spécifiques. Par exemple, les chercheurs pourraient créer un microbiome intestinal et introduire des gènes utiles pour faciliter la digestion. Ou, un jour, ils pourraient peut-être bloquer le transfert horizontal de gènes pour lutter contre la résistance aux antibiotiques.
« Nous avions soupçonné que les ICE à Gram positif pourraient être capables d’exclusion, mais nous n’avions aucune preuve avant ce travail », déclare Avello. Maintenant, les chercheurs peuvent commencer à spéculer sur la façon dont des espèces à Gram positif pathogènes pourraient contrôler le mouvement des ICE dans une population bactérienne, avec des conséquences positives pour la recherche sur les maladies.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

Une nouvelle façon de bloquer les transferts génétiques non désirésmartinbiothechnologie
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