CRISPR a revendiqué la renommée scientifique pour sa capacité à modifier rapidement et avec précision les gènes. Mais, à la base, les systèmes CRISPR sont des systèmes immunitaires qui aident les bactéries à se protéger des virus en ciblant et en détruisant l’ADN et l’ARN viraux. Une nouvelle étude publiée dans Science révèle un acteur auparavant non reconnu dans l’un de ces systèmes – une protéine membranaire qui améliore la défense antivirale – élargissant simultanément notre compréhension et soulevant davantage de questions liées aux complexités de CRISPR.
Découvrir de nouveaux indices sur CRISPR
Les systèmes CRISPR se composent de deux composants principaux : un ARN guide qui cible une séquence spécifique d’ADN ou d’ARN viral et une enzyme Cas qui coupe l’ADN ou l’ARN ciblé, empêchant un virus de se répliquer et de se propager. Une équipe du Centre de biologie de l’ARN de l’Université de Rochester a découvert qu’une protéine Cas spécifique (Cas13b) non seulement coupe l’ARN viral, mais communique avec une autre protéine (Csx28) pour augmenter sa défense antivirale.
En partenariat avec des scientifiques de Cornell, l’équipe a découvert que la protéine Csx28 forme une structure semblable à un pore (c’est-à-dire qu’elle contient un gros trou). Quand ils ont infecté E. coli avec un phage (virus qui attaque les bactéries) et ont déployé le système CRISPR-Cas13 pour cibler et stopper l’infection, ils ont découvert que Cas13 signale à Csx28 d’affecter la perméabilité membranaire. Une fois que cela se produit, Csx28 fait des ravages dans la cellule infectée, discombobulant le potentiel membranaire, écrasant le métabolisme et entravant la production d’énergie. Un virus ne peut pas se répliquer dans des circonstances aussi inhospitalières, ce qui a conduit l’équipe à conclure que Csx28 améliore la défense contre les phages de CRISPR-Cas13b.
« Cette découverte bouleverse l’idée que les systèmes CRISPR ne montent leur défense qu’en dégradant l’ARN et l’ADN dans les cellules et élargit vraiment notre vision du fonctionnement des systèmes CRISPR », a déclaré l’auteur correspondant Mitchell O’Connell, PhD, professeur adjoint de biochimie et de biophysique. à l’Université de Rochester Medical Center (URMC) et membre du UR Center for RNA Biology. « Lorsque nous pensons à CRISPR, nous voyons les protéines Cas telles que Cas9 ou Cas13 comme le gros marteau qui cause tous les dégâts, mais ce n’est peut-être pas le cas ; nous avons constaté que Cas13 et Csx28 travaillent ensemble pour éteindre efficacement un virus.
« Quand vous lisez cet article, vous vous dites… » quoi? » C’est un mécanisme tellement étrange et pas la façon dont j’aurais prédit que les bactéries fonctionneraient », a ajouté John Lueck, PhD, professeur adjoint de pharmacologie et de physiologie à l’URMC. « C’est vraiment impressionnant que l’équipe ait identifié cette protéine ressemblant à des pores qui ne ressemble à rien d’autre que nous ayons vu auparavant, et maintenant que nous savons que ce mécanisme existe, les gens vont commencer à le rechercher dans d’autres systèmes. C’est excitant. parce qu’en science, quand on gratte la surface, on découvre souvent qu’il y a un monde entièrement nouveau derrière. »
Plus de questions que de réponses
Avec la connaissance supplémentaire de la structure de Csx28 grâce à l’utilisation de cryo-EM à haute résolution, l’équipe commence à sonder la fonction de la protéine. Les questions ne manquent pas. Si le but est la protection, pourquoi y a-t-il un trou géant dans la membrane ? L’équipe a découvert que lorsque Cas13 n’est pas là, Csx28 n’est pas actif. Qu’est-ce qui la fait devenir active dans la défense ? Combien de temps reste-t-il actif et que laisse-t-il passer à travers la membrane ? Comprendre la biochimie derrière l’ouverture et la fermeture du pore éclairera la façon dont CRISPR-Cas13 l’utilise dans le cadre de sa défense et fournira un point de départ pour l’étude des protéines membranaires dans d’autres systèmes CRISPR.
« Cette découverte est inattendue et soulève toutes sortes de nouvelles questions sur la façon dont les bactéries se protègent et ce qu’elles font pour survivre à l’infection », a noté Mark Dumont, PhD, professeur de biochimie et de biophysique à l’URMC qui a passé sa carrière à étudier les protéines membranaires. « C’est aussi une interface très intéressante entre la biologie de l’ARN, CRISPR, la biologie structurale et la biologie membranaire. Bien qu’il n’y ait pas de pertinence ou d’application médicale immédiate, les idées qui en découlent pourraient être très puissantes.
Lueck ajoute : « Il est très rare qu’une étude contienne autant d’éléments qui suscitent la réflexion qu’elle rassemble plusieurs domaines différents. Et parce que les concepts sont tout nouveaux, les travaux futurs ne seront pas alourdis par le dogme. Chaque fois que les gens pourront apporter des idées fraîches et sans entraves sur la table, c’est vraiment bon pour la science. »
En plus d’O’Connell, l’auteur principal de l’étude Arica VanderWal, PhD, un ancien étudiant diplômé du laboratoire d’O’Connell qui est maintenant chercheur postdoctoral à l’UC San Diego, a contribué à la recherche. Étudiants diplômés Julia K. Nicosia et Adrian M. Molina Vargas du laboratoire O’Connell, Bogdan Polevoda, PhD, professeur adjoint de recherche en biochimie et biophysique à l’URMC, et Elizabeth Kellogg, PhD, et Jung-Un Park du département de moléculaire La biologie et la génétique de l’Université Cornell ont également soutenu la recherche. L’étude a été financée par les National Institutes of Health.
