Affiner les ciseaux CRISPR
Une équipe de chercheurs dévoile un nouveau mécanisme protéique anti-CRISPR pour un contrôle précis des technologies d'édition du génome
Les ciseaux génétiques CRISPR-Cas offrent un large éventail d'applications potentielles, du traitement des maladies génétiques aux thérapies antivirales et aux diagnostics. Toutefois, pour exploiter leurs pouvoirs en toute sécurité, les scientifiques recherchent des mécanismes capables de réguler ou d'inhiber l'activité des systèmes. C'est là qu'intervient la protéine anti-CRISPR AcrVIB1, un inhibiteur prometteur dont la fonction exacte est restée un mystère - jusqu'à présent. Une équipe de chercheurs de l'Institut Helmholtz de recherche sur les infections à base d'ARN (HIRI) de Würzburg, en collaboration avec le Centre Helmholtz de recherche sur les infections (HZI) de Braunschweig, a découvert le mode de fonctionnement précis de l'AcrVIB1, qui élargit les moyens connus par lesquels les Acrs peuvent bloquer CRISPR. Les résultats ont été publiés dans la revue Molecular Cell.
Image obtenue par microscopie cryo-électronique : La protéine anti-CRISPR AcrVIB1 (magenta) s'attache à la nucléase Cas13b (gris clair) et renforce sa liaison à l'ARN CRISPR (ARNc ; gris foncé et vert). AcrVIB1 induit un réarrangement structurel de la nucléase (bleu) et expose l'ARN CRISPR, qui peut alors être clivé puis dégradé.
© HZI / Stefan Schmelz
Les bactéries et leurs virus, appelés phages, sont engagés dans une course à l'armement séculaire. Pour se défendre contre les attaques des phages, les bactéries ont développé des mécanismes sophistiqués pour reconnaître et contrer les virus envahissants. De leur côté, les phages ont développé des stratégies innovantes pour échapper à ces défenses. Le système de défense CRISPR-Cas des bactéries est un excellent exemple de cette lutte permanente. Les protéines anti-CRISPR (Acrs) des phages s'y opposent en bloquant spécifiquement ces "ciseaux à gènes" bactériens.
Outre leur fonction de contre-défense, les protéines anti-CRISPR sont très prometteuses pour permettre un contrôle plus précis des technologies CRISPR. Pour libérer tout leur potentiel, il est essentiel de comprendre les mécanismes sous-jacents. Des chercheurs de l'Institut Helmholtz de recherche sur les infections à base d'ARN (HIRI), un site du Centre Helmholtz de Braunschweig pour la recherche sur les infections (HZI), en coopération avec l'université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU), et des scientifiques du HZI ont maintenant élucidé la fonction d'une protéine anti-CRISPR importante mais non caractérisée jusqu'à présent.
"Dans une étude précédente, nous avons utilisé un algorithme d'apprentissage profond pour prédire les nouveaux Acrs. Cela a conduit à l'identification d'AcrVIB1, la première protéine anti-CRISPR ciblant la nucléase Cas13b", explique le professeur Chase Beisel, chef du département HIRI, qui a dirigé l'étude avec le département du professeur Wulf Blankenfeldt à HZI. "La nucléase Cas13b peut reconnaître et couper l'ARN. Elle est actuellement utilisée pour réduire les gènes au silence, que ce soit pour étudier leur fonction, éliminer les virus ou contrer les maladies génétiques liées au gène." Cependant, la manière dont la protéine AcrVIB1 inhibe Cas13b restait jusqu'à présent inconnue. Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Molecular Cell, l'équipe de recherche présente ce mécanisme de blocage entièrement nouveau.
Une impasse pour l'ARN
La nucléase Cas13b fonctionne en interagissant avec un acide ribonucléique CRISPR (crRNA), qui sert de guide pour identifier et se lier à des séquences d'ARN complémentaires, par exemple celles provenant de phages. Une fois l'ARN cible lié, Cas13b peut cliver et dégrader non seulement ces molécules d'ARN complémentaires, mais aussi tous les autres ARN à proximité. Alors que la plupart des protéines anti-CRISPR connues bloquent les étapes de ce processus, telles que la liaison de l'ARNc ou la reconnaissance de la cible, AcrVIB1 adopte une stratégie radicalement différente : Au lieu de bloquer la liaison de l'ARNc à Cas13b, AcrVIB1 l'améliore même. La paire formée est cependant dysfonctionnelle, ce qui signifie que l'enzyme ne peut pas commencer à dégrader les ARN même si sa cible est présente. En outre, l'ARNc lié devient vulnérable aux attaques des ribonucléases cellulaires, qui décomposent les molécules d'ARN.
"La liaison plus étroite entre la nucléase et l'ARN guide était tout à fait inattendue. Le mécanisme le plus simple et donc le plus attendu aurait été d'empêcher l'ARN guide de se lier", explique le premier auteur, le Dr Katharina Wandera, qui a obtenu son doctorat dans le laboratoire de Chase Beisel. "Néanmoins, la voie empruntée par AcrVIB1 semble plus efficace : AcrVIB1 se lie étroitement à Cas13b et le rend ainsi inactif. En même temps, il augmente le renouvellement des ARN guides, faisant de Cas13b un cul-de-sac pour les ARNcr.
L'équipe de Chase Beisel à HIRI et le laboratoire de Wulf Blankenfeldt à HZI ont uni leurs forces pour déchiffrer plus précisément la structure du mécanisme d'inhibition. En utilisant la cryo-microscopie électronique, le groupe de Blankenfeldt a montré que AcrVIB1 se lie à Cas13b, laissant le domaine de liaison à l'ARNc non attaché. "Notre découverte fournit un modèle pour le développement de molécules qui pourraient imiter ou modifier la fonction de la protéine anti-CRISPR", déclare Blankenfeldt. Il s'agit des premières données issues de la nouvelle installation de cryo-microscopie électronique du HZI à être publiées.
Un vaste domaine
"À l'avenir, nous pourrions utiliser des molécules telles que AcrVIB1 pour réguler ou désactiver temporairement les systèmes CRISPR dans toute une série d'applications", déclare M. Blankenfeldt. Cette découverte pourrait permettre d'améliorer encore la sécurité et la précision des technologies basées sur CRISPR.
"Le décryptage de ce mécanisme fournit également des informations précieuses sur la coévolution des bactéries et des virus, qui essaient constamment d'être plus malins les uns que les autres", explique M. Wandera. Une meilleure compréhension de la résistance bactérienne pourrait jouer un rôle essentiel dans le développement de nouveaux antibiotiques et élargir les possibilités de la biologie synthétique.
En résumé, cette étude contribue non seulement à une meilleure compréhension des stratégies anti-CRISPR, mais ouvre également la voie à des thérapies et des approches diagnostiques innovantes en médecine. "Mais ce n'est qu'un début : Il y a certainement beaucoup d'autres Acrs et de nouveaux mécanismes d'inhibition qui attendent d'être découverts", déclare Beisel, en donnant un aperçu des futurs projets de recherche.
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