Les phages peuvent détecter les dommages bactériens à l’ADN, ce qui les pousse à se répliquer et à quitter le navire.
Les virus peuvent vous “observer” – certains microbes attendent que leurs hôtes leur donnent involontairement le signal de commencer à se multiplier et de les tuer.
Surtout après plus de deux ans de[{” attribute=””>COVID-19 pandemic, many people picture a virus as a nasty spiked ball – essentially a mindless killer that gets into a cell and hijacks its machinery to create a gazillion copies of itself before bursting out. For many viruses, including the coronavirus that causes COVID-19, the “mindless killer” moniker is essentially true.
However, there’s more to virus biology than meets the eye.
A suitable illustration is HIV, the virus that causes AIDS. HIV is a retrovirus that does not immediately go on a killing spree when it enters a cell. Instead, it integrates itself into your chromosomes and chills, waiting for the proper opportunity to command the cell to make copies of it and burst out to infect other immune cells and eventually cause AIDS.
Bacteriophages, or simply phages, are naturally occurring viruses that attack and kill bacteria. They cannot infect human cells. Phages are extremely diverse and exist everywhere in the environment, including in our bodies. In fact, humans contain more phages than human cells.
A phage has three main parts: a head, a sheath, and a tail. The phage uses its tail to attach to a bacterial cell. They use the bacteria to replicate themselves. After finding a “matching” bacterial cell, the phage injects its genetic material, hijacking the system normally used for bacterial reproduction. Instead the system will make thousands more phages, which ultimately burst the bacterial cell, releasing it into the environment.
Exactly what moment HIV is waiting for is not clear, as it’s still an area of active study. However, research on other viruses has long indicated that these pathogens can be quite “thoughtful” about killing. Of course, viruses cannot think the way you and I do. But, as it turns out, evolution has bestowed them with some pretty elaborate decision-making mechanisms. For example, some viruses will choose to leave the cell they have been residing in if they detect
For over two decades, my laboratory has been studying the molecular biology of bacteriophages, or phages for short, the viruses that infect bacteria. Recently, my colleagues and I demonstrated that phages can listen for key cellular signals to help them in their decision-making. Even worse, they can use the cell’s own “ears” to do the listening for them.
Escaping DNA damage
If the enemy of your enemy is your friend, phages are certainly your friends. Phages control bacterial populations in nature, and clinicians are increasingly using them to treat bacterial infections that do not respond to antibiotics.
The best-studied phage, lambda, works a bit like HIV. Upon entering the bacterial cell, lambda decides whether to replicate and kill the cell outright, like most viruses do, or to integrate itself into the cell’s chromosome, as HIV does. If the latter, lambda harmlessly replicates with its host each time the bacteria divides.
Cette vidéo montre un phage lambda infectant E. coli.
Cependant, comme le VIH, lambda n’est pas simplement inactif. Il utilise une protéine spéciale appelée CI comme un stéthoscope pour écouter les signes de dommages à l’ADN dans la cellule bactérienne. Si l’ADN de la bactérie est compromis, c’est une mauvaise nouvelle pour le phage lambda qui y est niché. L’ADN endommagé mène directement à la décharge de l’évolution car il est inutile pour le phage qui en a besoin pour se reproduire. Ainsi, lambda active ses gènes de réplication, se copie et sort de la cellule pour rechercher d’autres cellules non endommagées à infecter.
Exploiter le système de communication de la cellule
Au lieu de collecter des informations avec leurs propres protéines, certains phages exploitent le propre capteur de dommages à l’ADN de la cellule infectée : LexA.
Les protéines comme CI et LexA sont des facteurs de transcription qui activent et désactivent les gènes en se liant à des modèles génétiques spécifiques dans le livre d’instructions de l’ADN qu’est le chromosome. Certains phages comme le Coliphage 186 ont compris qu’ils n’avaient pas besoin de leur propre protéine virale CI s’ils avaient une courte séquence d’ADN dans leurs chromosomes à laquelle la LexA bactérienne peut se lier. Lors de la détection de dommages à l’ADN, LexA activera les gènes de réplication et de destruction du phage, croisant essentiellement la cellule en se suicidant tout en permettant au phage de s’échapper.
Les chercheurs ont d’abord signalé le rôle de CI dans la prise de décision des phages dans les années 1980 et l’astuce de contre-espionnage du Coliphage 186 à la fin des années 1990. Depuis lors, il y a eu quelques autres rapports de phages exploitant les systèmes de communication bactériens. Un exemple est le phage phi29, qui exploite le facteur de transcription de son hôte pour détecter quand la bactérie s’apprête à générer une spore, ou une sorte d’œuf bactérien capable de survivre à des environnements extrêmes. Phi29 demande à la cellule de conditionner son ADN dans la spore, tuant les bactéries en herbe une fois que la spore a germé.
Les facteurs de transcription activent et désactivent les gènes.
Dans des recherches récemment publiées, mes collègues et moi montrons que plusieurs groupes de phages ont indépendamment développé la capacité de puiser dans un autre système de communication bactérien : la protéine CtrA. CtrA intègre de multiples signaux internes et externes pour déclencher différents processus de développement chez les bactéries. Parmi ceux-ci, la production d’appendices bactériens appelés flagelles et pili est essentielle. Il s’avère que ces phages se fixent sur les pili et les flagelles des bactéries afin de les infecter.
Notre hypothèse principale est que les phages utilisent CtrA pour deviner quand il y aura suffisamment de bactéries à proximité portant des pili et des flagelles qu’ils peuvent facilement infecter. Une astuce assez intelligente pour un “tueur aveugle”.
Ce ne sont pas les seuls phages qui prennent des décisions élaborées, le tout sans même avoir un cerveau. Certains phages qui infectent Bacille les bactéries produisent une petite molécule chaque fois qu’elles infectent une cellule. Les phages peuvent détecter cette molécule et l’utiliser pour compter le nombre d’infections par les phages qui se produisent autour d’eux. Comme les envahisseurs extraterrestres, ce décompte aide à décider quand ils doivent activer leurs gènes de réplication et de destruction, ne tuant que lorsque les hôtes sont relativement abondants. De cette façon, les phages s’assurent qu’ils ne manquent jamais d’hôtes à infecter et garantissent leur propre survie à long terme.
Contrer le contre-espionnage viral
Une bonne question est de savoir pourquoi vous devriez vous soucier des opérations de contre-espionnage dirigées par des virus bactériens. Bien que les bactéries soient très différentes des humains, les virus qui les infectent ne sont pas si différents des virus qui infectent les humains. Pratiquement tous les tours joués par les phages se sont révélés plus tard être utilisés par des virus qui infectent les humains. Si un phage peut exploiter les lignes de communication bactériennes, pourquoi un virus humain n’exploiterait-il pas les vôtres ?
Jusqu’à présent, les scientifiques ne savent pas ce que les virus humains pourraient écouter s’ils détournent ces lignes, mais il existe de nombreuses options imaginables. Je pense que, comme les phages, les virus humains pourraient potentiellement être capables de compter leur nombre pour élaborer des stratégies, détecter la croissance cellulaire et la formation de tissus, et même surveiller les réponses immunitaires. Pour l’instant, ces possibilités ne sont que des spéculations, mais des recherches scientifiques sont en cours pour enquêter.
Avoir des virus écoutant les conversations privées de vos cellules n’est pas la plus belle des images, mais ce n’est pas sans un bon côté. Comme les agences de renseignement du monde entier le savent très bien, le contre-espionnage ne fonctionne que lorsqu’il est couvert. Une fois détecté, le système peut très facilement être exploité pour fournir de fausses informations à votre ennemi. De même, je pense que les futures thérapies antivirales pourraient combiner l’artillerie conventionnelle, comme les antiviraux qui empêchent la réplication virale, avec la ruse de la guerre de l’information, comme faire croire au virus que la cellule dans laquelle il se trouve appartient à un tissu différent.
Mais, chut, ne le dis à personne. Les virus pourraient être à l’écoute !
Écrit par Ivan Erill, professeur agrégé de sciences biologiques, Université du Maryland, comté de Baltimore.
Cet article a été publié pour la première fois dans The Conversation.
