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Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

Les phages : nouvel éclairage sur le fonctionnement de ces redoutables nanomachines tueuses de bactéries

Les bactéries aussi sont attaquées par des virus : les bactériophages. Ces particules sont formées d’une capside renfermant le matériel génétique et d’une queue reconnaissant l’hôte. Mais comment l’extrémité de la queue et la capside communiquent-elles ? Différentes équipes de l’Institut de Biologie Structurale ont répondu à cette question en déterminant la structure du tube de la queue en combinant cryo microscopie électronique et cristallographie. Cette étude a été publiée dans Nature Communication.

Les bactériophages, virus qui attaquent les bactéries, sont l’entité biologique la plus abondante et la plus diversifiée sur Terre. Ils sont présents dans tous les biotopes, de la haute atmosphère aux fosses océaniques profondes en passant par nos intestins et le lait maternel. Tueurs de bactéries, mais également vecteurs d’information génétique entre bactéries, les phages ont un rôle essentiel dans l’évolution, la diversité et la régulation des populations bactériennes. Ils ont par exemple un impact majeur sur les cycles biogéochimiques de la matière et sur le climat. Ils jouent également un rôle important dans l’acquisition de toxines par les souches bactériennes qui peuvent alors devenir infectieuses pour l’homme. Cependant, prédateurs naturels des bactéries, ils commencent à être utilisés pour soigner les maladies infectieuses dues à des bactéries qui sont de plus en plus résistantes aux antibiotiques.
Les phages sont, dans leur grande majorité, composés d’une capside renfermant le matériel génétique, et d’une queue protéique permettant la reconnaissance de l’hôte et l’injection de l’ADN viral dans le cytoplasme de la bactérie. Ceci conduit au détournement de la machinerie biosynthétique de l’hôte au profit de la synthèse de nouveaux et nombreux virions, libérés en fin de cycle par l’éclatement de la bactérie. Les auteurs s’intéressent aux mécanismes moléculaires qui permettent aux phages d’injecter leur matériel génétique dans le cytoplasme de la bactérie après reconnaissance spécifique de leur hôte, en travaillant sur le phage T5 qui possède une longue queue flexible et qui attaque la bactérie Escherichia coli. Ils ont dans un premier temps déterminé la structure atomique à 2,2 Å de résolution par cristallographie aux rayons X de la protéine majeure de queue, mettant en évidence une duplication de domaine au sein de la protéine : chaque sous-domaine est l’homologue structural i) des protéines majeures de queue des phages à longue queue, contractile ou non, ii) des protéines majeures de tube du système de sécrétion de type VI de différentes bactéries et iii) de la protéine majeure du tube des pyocines R. Ces deux derniers systèmes sont des seringues moléculaires structuralement homologues aux queues contractiles des phages, que les bactéries ont hérité des phages pour en faire des machineries permettant d’injecter des toxines dans des cellules cible ou concurrentes, ou des bactéricides sécrétées par des souches de Pseudomonas aeruginosa, respectivement. Ainsi, les auteurs ont pu confirmer que toutes ces protéines majeures de tube, bien que non reliées par homologie de séquence, ont une homologie de structure importante, confirmant leur origine commune.
Les auteurs ont dans un deuxième temps déterminé la structure du tube de la queue du phage à 6 Å de résolution, avant et après reconnaissance de l’hôte, par cryo microscopie électronique. Ils ont pu montrer que, contrairement au mécanisme jusqu’alors proposé, l’information de reconnaissance de l’hôte n’est pas transmise jusqu’à la capside par le tube de la queue ! En effet, les deux structures sont identiques, à la résolution d’étude. Ils proposent que cette fonction soit assurée par la protéine vernier qui, insérée dans le lumen du tube, sert d’échafaudage à la polymérisation de la protéine majeure de queue et détermine la longueur de la queue. Cette protéine serait repliée dans un état métastable au sein de la queue : l’interaction avec l’hôte induirait des modifications de la structure de l’extrémité de la queue, déstabilisant la protéine vernier qui serait alors expulsée de la queue. Ceci constituerait le signal permettant à la capside de s’ouvrir et libérer l’ADN viral. Aux vues de la grande conservation de structure des protéines majeures de queues, les auteurs proposent que ce mécanisme soit commun à tous les phages à longue queue, qui ne représentent pas moins de 86% des phages.

Bacteriophage T5 tail tube structure suggests a trigger mechanism for Siphoviridae DNA ejection. Charles-Adrien Arnaud, Grégory Effantin, Corinne Vivès, Sylvain Engilberge, Maria Bacia, Pascale Boulanger, Eric Girard, Guy Schoehn and Cécile Breyton. Nature Communication ; doi:10.1038/s41467-017-02049-3