Les découvertes complémentaires ont le potentiel d’améliorer les options de traitement pour les infections résistantes aux antibiotiques.
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont fait des découvertes complémentaires qui améliorent notre compréhension des systèmes immunitaires bactériens et offrent de nouvelles stratégies pour lutter contre les infections résistantes aux antibiotiques.
Les bactéries résistantes aux antibiotiques, souvent appelées superbacieuses, représentent une menace grave car elles sont difficiles à traiter et peuvent entraîner des taux de mortalité plus élevés provenant d’infections qui seraient généralement gérables. Ces résultats mettent en évidence le besoin critique d’alternatives aux antibiotiques traditionnels.
Les virus qui tuent les bactéries, appelés phages, sont de puissants antimicrobiens qui peuvent être exploités pour traiter les infections. Cependant, les bactéries sont équipées d’un ensemble de systèmes immunitaires, y compris CRISPR-CAS, qui protègent contre les attaques de phages. Ces systèmes immunitaires sont problématiques car ils peuvent réduire l’efficacité des traitements thérapeutiques à base de phages.
Asma Hatoum-Aslan, professeur agrégé de microbiologie, étudie le fonctionnement interne des systèmes immunitaires bactériens en mettant l’accent sur le développement de thérapies phages efficaces. Les recherches de son laboratoire se concentrent sur CRISPR-CAS et d’autres systèmes immunitaires dans les staphylocoques, les bactéries vivant pour la peau qui provoquent fréquemment des infections résistantes aux antibiotiques chez l’homme. Deux articles récemment publiés par son laboratoire décrivent la découverte de la première protéine anti-CRISPR de type III-A et découvrent un mécanisme par lequel les systèmes immunitaires antiviraux peuvent se propager et potentiellement compromettre l’efficacité de la thérapie phage.
De près avec une nouvelle protéine qui inhibe l’immunité CRISPR-CAS
Les systèmes immunitaires CRISPR-CAS utilisent un complexe spécial pour détecter et détruire les acides nucléiques avec des origines de phage. Ce complexe est composé de petits ARN liés à une ou plusieurs nucléases CAS associées à CRISPR.
Sur les six types de systèmes CRISPR-CAS, le type III est considéré comme le plus complexe. Tandis que la plupart des systèmes CRISPR ciblent ADN ou ARN Les envahisseurs, les systèmes de type III ciblent les deux. Les systèmes de type III sont également la seule variété CRISPR connue pour utiliser un deuxième mécanisme de signalisation messager qui stimule les nucléases CAS et confère une couche de protection supplémentaire en recrutant l’aide des nucléases ménagères généralement destinées à d’autres activités cellulaires. En conséquence, les systèmes CRISPR-CAS de type III sont incroyablement efficaces pour nettoyer les infections aux phages.
Cela a suscité la question: les phages ont-ils évolué des moyens de riposter? Pour répondre à cela, les membres du laboratoire Hatoum-Aslan ont dépisté une grande collection de phages pour la capacité d’échapper aux systèmes CRISPR-CAS de type III-A et ont découvert une nouvelle protéine anti-CRISPR. Leurs résultats, publiés dans Recherche des acides nucléiquesmettez en évidence la capacité de la protéine ACRIIIA1 anti-CRISPR à lier le complexe associé à CRISPR et à bloquer ses fonctions.
« Avoir accès à une collection diversifiée de phages était essentielle pour cette découverte initiale », a déclaré Hatoum-Aslan. «J’ai développé un cours de découverte de phage que j’enseigne depuis 2016. Chaque printemps, j’ai une classe pleine d’étudiants à la recherche de phages qui infectent Staphylococcus bactéries. Nous nous produisons donc de cette grande collection de phages qui se développe encore. »
Après avoir identifié des phages à activité anti-CRISPR, le prochain défi des chercheurs a été de déterminer quels gènes spécifiques étaient responsables. Après avoir examiné un pool de plus de 200 gènes – beaucoup avec des fonctions inconnues – le laboratoire a réussi à identifier acriiia1le premier gène anti-CRISPR de type III-A, dans un effort Hatoum-Aslan a inventé «Genetics Gymnastics».
En accouplant des paires de phages connexes qui étaient résistants au système CRISPR, les membres du laboratoire ont réduit leur emplacement d’intérêt, se concentrant sur un segment court d’environ 2 000 nucléotides. Le clonage et le test de plusieurs gènes de cette région ont permis à Hatoum-Aslan de localiser celui de l’activité anti-CRISPR et de ses élèves.
Des expériences supplémentaires ont révélé que ACRIIIA1 est unique dans sa composition; Il s’agit d’une petite protéine qui se lie fortement aux petits ARN, y compris des ARNt fragmentés, qui font partie de la machinerie de construction de protéines de la cellule.
« Nous ne sommes pas entièrement sûrs de la façon dont ces fragments d’ARN aident le phage à échapper au CRISPR, mais nous pensons qu’ils pourraient indirectement empêcher les nucléases d’entretien ménager de dégrader le matériel génétique du phage par l’inhibition compétitive », a déclaré Hatoum-Aslan. «Si vous jetez l’ARN endommagé à ces nucléases comme une distraction, ils auront d’autres choses à mâcher. En attendant, le phage arrive à terminer sa réplication et à s’échapper. »
Hatoum-Aslan espère que les phages conçus avec des protéines anti-CRISPR seront plus efficaces dans le traitement des infections résistantes aux antibiotiques lorsqu’elles sont utilisées dans des applications thérapeutiques.
« L’un des avantages de l’enseignement de la découverte des phages est d’amasser cette collection de phages que nous pouvons partager avec les cliniciens qui utilisent la thérapie phage pour résoudre les infections obstinées », a déclaré Hatoum-Aslan. «Nous nous sommes récemment connectés avec un chirurgien orthopédique à Pittsburgh et lui avons envoyé une partie de notre sauvage. S. epidermidis Phages pour traiter les patients atteints d’infections dans leurs implants médicaux. »
L’objectif à long terme du laboratoire est de concevoir des phages thérapeutiques qui peuvent surmonter CRISPR-CAS et d’autres défenses en les équipant de protéines comme ACRIIIA1.
Mais alors que la thérapie phage s’est révélée prometteuse dans certaines études de cas, elle n’a pas encore devenu un traitement de routine aux États-Unis. Un problème en aval concernant les chercheurs est le volume pur des défenses anti-phage utilisés par les bactéries, et le potentiel de mécanismes de résistance aux phages pour se propager rapidement. Dans un article complémentaire, le laboratoire de Hatoum-Aslan a creusé plus profondément dans l’arsenal antiviral dans les staphylocoques.
Mobiliser les défenses: SCCMEC cassettes comme source de propagation antivirale
Cherchant à mieux comprendre toute la batterie des défenses antivirales dans les staphylocoques, Hatoum-Aslan et son équipe ont identifié toutes les défenses connues et leurs emplacements génomiques dans plus de 1 000 souches de S. aureus et S. epidermidis. Leur analyse a révélé une voie majeure par laquelle les défenses antivirales peuvent se propager.
Cette analyse, décrite dans Communications de la naturea suggéré que les staphylocoques transportent bon nombre de leurs défenses dans ou à proximité de segments mobiles d’ADN appelés SCCMEC cassettes. Les cassettes sont des régions discrètes contenant des grappes de gènes qui peuvent entrer ou sortir du génome. SCCMEC Les cassettes peuvent se couper d’un génome ou se collez en tant qu’élément discret unique. Ces cassettes peuvent également échapper à leur bactérie parent et transférer dans une bactérie voisine et non liée dans un processus appelé transfert de gènes horizontal.
«SCCMEC Les casettes sont connues pour répandre la résistance à la méthicilline, qui est l’un de nos derniers antibiotiques contre les infections à staphylocoque », a déclaré Hatoum-Aslan. «Une fois que nous avons réalisé que ces cassettes et les régions voisines sont des points chauds pour les défenses antiphage, nous voulions regarder plus profondément dans leur impact sur les mouvements de défense.»
Les membres du laboratoire Hatoum-Aslan ont déterminé qu’en plus de couper et de coller SCCMEC cassettes, enzymes codées dans SCCMEC Les cassettes peuvent également couper et coller des segments adjacents d’ADN qui transportent plusieurs systèmes immunitaires anti-phage. Ils ont également découvert que l’infection par phage stimule la libération de ces cassettes des cellules, facilitant davantage leur propagation. Ces résultats ont des implications pour la thérapie phage, qui doit faire face à l’augmentation de la résistance aux phages.
« Il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur les défenses antivirales dans les bactéries », a déclaré Hatoum-Aslan. «C’est un champ complètement grand ouvert, mais le goulot d’étranglement est de déterminer le fonctionnement des systèmes de défense. Qu’est-ce que le déclencheur alerte le système à une infection de phage? Comment le système élimine-t-il le phage tout en empêchant des dommages à la cellule? »
À l’avenir, le laboratoire de Hatoum-Aslan s’efforce d’identifier et de caractériser de nouveaux systèmes immunitaires et comment les phages s’adaptent naturellement.
« Découvrir les détails de ce processus évolutif est très instructif », a déclaré Hatoum-Aslan. «Il nous aide à concevoir des phages thérapeutiques qui seront efficaces pendant de nombreuses années à venir.»
RÉFÉRENCES: «ACRIIIA1 est un complexe anti-CRISPR protéine-RNA qui cible les CAS de base et les nucléases accessoires» par Lucy Chou-Zheng, Olivia Howell, Tori A Boyle, Motaher Hossain, Forrest C Walker, Emma K Sheriff, Barbaros Aslan et Asma Hatoum -Aslan, 18 novembre 2024, Recherche des acides nucléiques.
Doi: 10.1093 / nar / gkae1006
«Mobilisation en tandem des défenses anti-phage aux côtés des éléments SCCMEC dans Staphylococci» par Motaher Hossain, Barbaros Aslan et Asma Hatoum-Aslan, 12 octobre 2024, Communications de la nature.
Doi: 10.1038 / S41467-024-53146-Z
