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Les grands bactériophages portent des gènes bactériens, y compris CRISPR et les protéines ribosomales – Actualite-sante

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Les scientifiques ont découvert des centaines de virus anormalement volumineux, qui tuent les bactéries, avec des capacités normalement associées aux organismes vivants, brouillant la frontière entre les microbes vivants et les machines virales.

Ces phages – abréviation de bactériophages, soi-disant parce qu'ils " manger "les bactéries – sont d'une taille et d'une complexité considérées comme typiques de la vie, portent de nombreux gènes normalement trouvés dans les bactéries et utilisent ces gènes contre leurs hôtes bactériens.

Université de Californie, Berkeley, des chercheurs et leurs collaborateurs ont découvert ces énormes phages en parcourir une grande base de données d'ADN qu'ils ont généré à partir de près de 30 environnements terrestres différents, allant des tripes des prématurés et des femmes enceintes à une source chaude tibétaine, un bioréacteur sud-africain, des chambres d'hôpital, des océans, des lacs et des souterrains profonds.

Au total, ils ont identifié 351 phages énormes différents, tous avec des génomes quatre fois ou plus plus grands que les génomes moyens des virus qui se nourrissent de célibataires

Parmi celles-ci se trouve le plus grand bactériophage découvert à ce jour: son génome, long de 735 000 paires de bases, est près de 15 fois plus grand que le phage moyen. Ce plus grand génome de phage connu est beaucoup plus grand que les génomes de nombreuses bactéries.

"Nous explorons les microbiomes de la Terre, et parfois des choses inattendues se présentent. Ces virus de bactéries font partie de la biologie, des entités reproductrices, que nous connaissons très bien. peu », a déclaré Jill Banfield, professeur de sciences terrestres et planétaires à l'Université de Berkeley et de sciences, politiques et gestion de l'environnement, et auteur principal d'un article sur les résultats parus le 12 février dans la revue Nature . "Ces énormes phages comblent le fossé entre les bactériophages non vivants, d'une part, et les bactéries et les archées. Il semble certainement y avoir des stratégies d'existence réussies qui sont des hybrides entre ce que nous considérons comme des virus traditionnels et des organismes vivants traditionnels." [19659003] Ironiquement, au sein de l'ADN que ces énormes phages trimballent font partie du système CRISPR que les bactéries utilisent pour combattre les virus. Il est probable qu'une fois que ces phages injectent leur ADN dans des bactéries, le système CRISPR viral augmente le système CRISPR des bactéries hôtes, probablement principalement pour cibler d'autres virus.

"Il est fascinant de voir comment ces phages ont transformé ce système que nous pensions être bactérienne ou archaïque à utiliser pour leur propre avantage contre leur concurrence, pour alimenter la guerre entre ces virus ", a déclaré Basem Al-Shayeb, étudiant diplômé de l'Université de Californie à Berkeley. Al-Shayeb et son associé de recherche Rohan Sachdeva sont les deux premiers auteurs du document Nature .

New Cas protein

L'un des énormes phages est également capable de produire un protéine analogue à la protéine Cas9 qui fait partie de l'outil révolutionnaire CRISPR-Cas9 que Jennifer Doudna de UC Berkeley et sa collègue européenne, Emmanuelle Charpentier, ont adaptée pour l'édition de gènes. L'équipe a surnommé cette minuscule protéine CasØ, car la lettre grecque Ø, ou phi, est traditionnellement utilisée pour désigner un bactériophage.

"Dans ces énormes phages, il y a beaucoup de potentiel pour trouver de nouveaux outils pour l'ingénierie du génome", Sachdeva m'a dit. "Beaucoup de gènes que nous avons trouvés sont inconnus, ils n'ont pas de fonction putative et peuvent être une source de nouvelles protéines pour des applications industrielles, médicales ou agricoles."

En plus de fournir un nouvel aperçu de la guerre constante entre les phages et les bactéries, les nouvelles découvertes ont également des implications pour les maladies humaines. Les virus, en général, portent des gènes entre les cellules, y compris des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques. Et puisque les phages se produisent partout où vivent les bactéries et les archées, y compris le microbiome intestinal humain, ils peuvent transporter des gènes nuisibles dans les bactéries qui colonisent l'homme.

"Certaines maladies sont causées indirectement par les phages, car les phages se déplacent autour des gènes impliqués dans la pathogenèse et l'antibiotique résistance ", a déclaré Banfield, qui est également directeur de la recherche microbienne à l'Innovative Genomics Institute (IGI) et un enquêteur CZ Biohub. "Et plus le génome est grand, plus vous avez la capacité de vous déplacer autour de ces types de gènes, et plus vous avez de chances de transmettre des gènes indésirables à des bactéries dans les microbiomes humains."

Séquençage de la Terre biomes

Depuis plus de 15 ans, Banfield explore la diversité des bactéries, Archaea – qui, dit-elle, sont des cousins ​​fascinants des bactéries – et des phages dans différents environnements autour de la planète. Elle le fait en séquençant tout l'ADN dans un échantillon, puis en assemblant les fragments pour assembler des génomes provisoires ou, dans certains cas, des génomes entièrement conservés de microbes jamais vus auparavant.

Au cours du processus, elle a constaté que de nombreux des nouveaux microbes ont des génomes extrêmement minuscules, apparemment insuffisants pour maintenir une vie indépendante. Au lieu de cela, ils semblent dépendre d'autres bactéries et archées pour survivre.

Il y a un an, elle a rapporté que certains des plus grands phages, un groupe qu'elle appelait phages Lak, se trouvent dans nos tripes et nos bouches, où ils s'attaquent microbiomes intestinaux et salivaires.

Le nouveau document Nature est issu d'une recherche plus approfondie d'énormes phages dans toutes les séquences métagénomiques accumulées par Banfield, ainsi que de nouveaux métagénomes fournis par des collaborateurs de recherche du monde entier. Les métagénomes provenaient de babouins, de porcs, d'orignaux d'Alaska, d'échantillons de sol, d'océans, de rivières, de lacs et d'eaux souterraines, et comprenaient des Bangladais qui avaient bu de l'eau contaminée à l'arsenic.

L'équipe a identifié 351 génomes de phages de plus de 200 kilobases de long , quatre fois la longueur moyenne du génome du phage de 50 kilo-octets (ko). Ils ont pu établir la longueur exacte de 175 génomes de phages; les autres pourraient être beaucoup plus grands que 200 kb. L'un des génomes complets, long de 735 000 paires de bases, est maintenant le plus grand génome de phage connu.

Alors que la plupart des gènes de ces énormes phages codent pour des protéines inconnues, les chercheurs ont pu identifier des gènes codant pour des protéines essentielles à la machinerie, appelée ribosome, qui traduit l'ARN messager en protéine. Ces gènes ne se trouvent généralement pas dans les virus, seulement dans les bactéries ou les archées.

Les chercheurs ont trouvé de nombreux gènes pour le transfert des ARN, qui transportent les acides aminés vers le ribosome pour être incorporés dans de nouvelles protéines; les gènes des protéines qui chargent et régulent les ARNt; des gènes pour des protéines qui activent la traduction et même des morceaux du ribosome lui-même.

"Généralement, ce qui sépare la vie de la non-vie, c'est d'avoir des ribosomes et la capacité de faire la traduction; c'est l'une des principales caractéristiques qui séparent les virus et les bactéries, la non-vie et la vie ", a déclaré Sachdeva. "Certains grands phages possèdent une grande partie de cette machinerie translationnelle, donc ils brouillent un peu la ligne."

D'énormes phages utilisent probablement ces gènes pour rediriger les ribosomes afin de faire plus de copies de leurs propres protéines au détriment des protéines bactériennes. Certains énormes phages ont également des codes génétiques alternatifs, les triplets d'acide nucléique qui codent pour un acide aminé spécifique, ce qui pourrait confondre le ribosome bactérien qui décode l'ARN.

En outre, certains des énormes phages récemment découverts portent des gènes pour des variantes de la Protéines Cas présentes dans une variété de systèmes bactériens CRISPR, tels que les familles Cas9, Cas12, CasX et CasY. CasØ est une variante de la famille Cas12. Certains des énormes phages ont également des réseaux CRISPR, qui sont des zones du génome bactérien où des extraits d'ADN viral sont stockés pour référence future, permettant aux bactéries de reconnaître les phages de retour et de mobiliser leurs protéines Cas pour les cibler et les découper.

"La conclusion de haut niveau est que les phages avec de grands génomes sont assez importants dans les écosystèmes de la Terre, ils ne sont pas la particularité d'un écosystème", a déclaré Banfield. "Et les phages qui ont de grands génomes sont liés, ce qui signifie que ce sont des lignées établies avec une longue histoire de grande taille de génome. Avoir de grands génomes est une stratégie réussie pour l'existence, et une stratégie que nous connaissons très peu."

les chercheurs ont divisé les 351 mégaphages en 10 nouveaux groupes, ou clades, nommés d'après des mots pour «gros» dans les langues des co-auteurs de l'article: Mahaphage (sanskrit), Kabirphage, Dakhmphage et Jabbarphage (arabe); Kyodaiphage (japonais); Biggiephage (australien), Whopperphage (américain); Judaphage (chinois), Enormephage (français); et Kaempephage (danois).

Les travaux de l'UC Berkeley étaient principalement soutenus par l'Innovative Genomics Institute (IGI) et les National Institutes of Health. Sur les 45 co-auteurs, 35 ont contribué à la recherche tout en étant affiliés à UC Berkeley: Banfield, Al-Shayeb, Sachdeva, Lin-Xing Chen, Fred Ward, Audra Devoto, Cindy Castelle, Matthew Olm, Keith Bouma-Gregson, Christine He , Raphaël Méheust, Brandon Brooks, Alex Thomas, Adi Lavy, Paula Matheus-Carnevali, Jennifer Doudna, Allison Sharrar, Alexander Jaffe, Rose Kantor, Ray Keren, Katherine Lane, Ibrahim Farag, Shufei Lei, Kari Finstad, Ronald Amundson, Karthik Anantharaman , Alexander Probst, Mary Power et Jamie Cate.

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