Count von Count compte tous les phages

                              

De la microbiologie pour ceux qui ont les crocs


Count von Count compte tous les phages

Vous vous souvenez encore de Count von Count de la série télévisée pour enfants Sesame Street ? Ce vampire muppet apprend aux enfants à compter et, franchement, il est très doué pour cela ! Bien qu’il puisse être amusant pour les enfants de regarder à la télévision une marionnette obsédée par les mathématiques et buvant du sang, il s’avère que compter est vital pour presque tous les aspects de notre vie. Les mathématiques ne représentent pas seulement la base de l’économie et de la science, mais c’est aussi un outil crucial pour les microbes les aidant à prendre des décisions.

Mais comment des organismes plus petits qu’un neurone humain peuvent-ils compter ? Au cours de l’évolution, ils ont développé différentes stratégies, et cet article traitera de l’une d’entre elles. Pour être plus précis, nous allons nous concentrer ici sur la capacité du phage Lambda à compter.

Le sujet des phages a déjà été abordé dans plusieurs articles de MicroCrocs, car leur biologie est tout simplement fascinante. Un bref rappel : les phages sont des virus qui infectent les bactéries et les archées. Ils représentent un groupe extrêmement diversifié de micro-organismes, et on les trouve partout où l’on trouve des procaryotes. Un phage très bien caractérisé est le Lambda, qui infecte la bactérie modèle Escherichia coli.

Comme de nombreux virus, le phage Lambda a deux modes de prolifération (figure 1). Le cycle lytique est celui que la plupart des gens associent à une infection virale. Le virus pénètre dans une cellule, détourne sa machinerie moléculaire pour produire des copies de lui-même, puis – à un certain moment – lyse la cellule pour libérer dans l’environnement des centaines de nouveaux virus prêts à être infectés. Le cycle lysogène, quant à lui, est un peu plus élaboré. Le virus pénètre dans une cellule, mais il n’abuse pas des ressources de la cellule pour se répliquer sans fin. Au lieu de cela, il insère son propre génome – appelé prophage – dans le génome de l’hôte. Il s’agit d’un état dormant du virus, qui attend de se réveiller et d’entrer dans le cycle lytique. Comment un virus sait-il quelle voie choisir, lytique ou lysogène ? Eh bien, il semble que Tianyou Yao et ses collègues se soient un peu rapprochés de la réponse à cette question.

Figure 1 : Le phage Lambda peut choisir entre deux trajectoires : lytique (en haut) et lysogène (en bas). Mais comment sait-il laquelle choisir ? Figure de l’article original.

On discute depuis longtemps de l’existence d’une corrélation numérique entre les virus et les cellules hôtes. L’hypothèse stipule que le rapport entre les virus et les cellules hôtes décide de la voie à suivre. Cela signifie que plusieurs phages entrant dans une cellule hôte déclenchent simultanément la voie lysogénique. C’est ce qu’on appelle la multiplicité d’infection (MOI – Multiplicity Of Infection en anglais). La logique qui sous-tend ce phénomène est simple : si plusieurs virus peuvent infecter une cellule à la fois, le rapport entre virus et cellules victimes doit être très élevé. Par conséquent, il n’est pas logique que le virus produise encore plus de copies de lui-même. Il choisit plutôt de s’intégrer dans le génome de l’hôte et d’attendre un changement dans l’environnement.

Ce qui n’était pas clair jusqu’à présent, c’est comment le phage compte la MOI et comment il le fait en répliquant son propre génome en même temps. Pour résoudre cette énigme, le groupe de recherche dirigé par Tianyou Yao a évalué les niveaux d’ARN messager (ARNm) de trois gènes viraux – appelés cI, cII et cro – dans des cellules d’E. coli infectées par le phage Lambda. Ces trois gènes s’influencent mutuellement dans un réseau complexe de boucles d’activation et de répression (figure 2). Le rapport spécifique de l’expression de l’un par rapport à l’autre conduit soit à la trajectoire lytique, soit à la trajectoire lysogénique. Un taux d’expression élevé de cro conduit vers la trajectoire lytique, tandis qu’une expression élevée de cI favorise la voie lysogénique.

Figure 2 : Réseau d’activation et de répression des produits génétiques (= protéines) de cI, cII et cro (= CI, CII et Cro). Des niveaux élevés de CI conduisent vers la trajectoire lysogène, tandis que des niveaux élevés de Cro conduisent vers la trajectoire lytique. Figure tirée de l’article original.

Pour exclure l’influence de l’auto-réplication du phage, qui commence normalement immédiatement après l’entrée dans la cellule hôte, les chercheurs ont d’abord testé une variante de Lambda qui n’est pas capable de se répliquer (non-réplicative). Après infection par ce phage modifié, ils ont compté le nombre de génomes viraux dans une seule cellule d’E. coli, ainsi que le nombre d’ARNm des trois gènes d’intérêt, afin de voir quelle serait l’influence de la MOI sur les niveaux d’ARNm des gènes et, par conséquent, sur la trajectoire de l’infection virale.

De manière surprenante, les chercheurs ont découvert que l’expression des gènes de la trajectoire lytique (cro) n’était jamais activée à un niveau suffisamment élevé pour emprunter cette voie. En revanche, ils ont constaté que les gènes de la trajectoire lysogène étaient régulés à la hausse avec l’augmentation de la MOI. De façon remarquable, aucune décision pour l’une ou l’autre trajectoire n’a pu être prise par les phages non répliqués à faible MOI !

Sur la base de leurs propres résultats de laboratoire et des données de la littérature, les chercheurs ont établi des modèles mathématiques pour décrire le comportement des phages non répliqués et répliqués. En utilisant ce modèle, les chercheurs ont montré que seule l’infection avec exactement un phage par cellule hôte (MOI = 1) conduit à la voie lytique, tandis que toute MOI supérieure déclenche le cycle lysogénique. On pourrait dire que le phage lambda est un peu à l’opposé de la plupart des humains : il aime faire la fête tout seul, mais devient très endormi quand il a de la compagnie.

Mais quelle est la raison de ce comportement ? Tianyou Yao et al. ont démontré une interaction délicate entre l’activation et la répression de différentes régions promotrices (éléments génétiques qui favorisent la transcription d’un certain gène), qui dépendent de la MOI initiale. Une MOI plus élevée stimule une activation proportionnellement plus importante du gène cI, qui, à son tour, réprime la transcription du gène cro (rappel : des niveaux élevés de cro conduiraient vers la trajectoire lytique). Le virus emprunte alors la voie lysogène. Par conséquent, même les êtres les plus petits et génétiquement simples de notre planète ont développé un système sophistiqué pour détecter la présence des autres.

Cependant, n’oublions pas que les efforts entrepris par les chercheurs pour élucider cette énigme méritent également des applaudissements. Ces travaux montrent à quel point les techniques biochimiques modernes se sont développées et à quel point la combinaison des données issues de ces expériences avec des modèles informatiques peut être puissante. Même Count von Count serait impressionné par ces astuces mathématiques !


Link to the original post: Bacteriophage self-counting in the presence of viral replication Tianyou Yao, Seth Coleman, Thu Vu Phuc Nguyen, Ido Golding, Oleg A. Igoshin Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2021, 118 (51) e2104163118; DOI: 10.1073/pnas.2104163118

Featured image: https://muppet.fandom.com/wiki/Count_von_Count?file=CountVonCount.png

Traduit par Anaïs Biclot