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Le microscope Polara de Grenoble révèle la complexité des bactériophages

 

Jumbo ΦRSL1 est un « gros » phage qui infecte une bactérie s'attaquant aux plants de tomate. La structure tridimensionnelle de ce phage a été résolue dans sa totalité avec une précision surprenante grâce à l'utilisation du cryo-microscope électronique Polara inauguré en 2010. Ce travail publié dans la revue Structure par des chercheurs du laboratoire Biologie structurale des interactions entre virus et cellule-hôte (UVHCI, CNRS/EMBL/Université Joseph Fourier) et de l'Institut de biologie structurale (IBS, CNRS/CEA Paris/Université Joseph Fourier), en collaboration avec l'Université de Hiroshima au Japon, dévoile la complexité insoupçonnée des bactériophages et de leurs mécanismes d'évolution.

 

Les bactériophages sont des virus qui infectent les bactéries. Faciles à cultiver, à purifier et à manipuler génétiquement, les bactériophages les plus courants sont utilisés comme des systèmes modèles pour l'étude des processus d'assemblage et d'évolution virale. Il existe quelque 10⁸ espèces de phages différents sur Terre et environ 10³¹ particules phagiques. Mais bien que la structure des bactériophages semble être basée sur quelques modules protéiques issus d'un ancêtre commun, elle peut énormément varier au niveau de la taille, de la forme et même du nombre de protéines différentes composant la particule virale.

Les phages Jumbo ont été découverts assez récemment (1). Ils représentent un nouveau genre de phages qui se caractérise par une taille de génome importante et la présence d'une queue contractile. Leur structure générale ressemble à un module d'atterrissage lunaire, avec une tête, une queue également appelée tige et des fibres partant de l'extrémité de cette queue. Lorsque le phage atteint la surface de la bactérie, sa tige fonctionne comme une seringue perforant la paroi bactérienne pour injecter l'ADN phagique dans la cellule hôte. Les chercheurs de l'UVHCI et de l'IBS ont travaillé sur le phage ΦRSL1 qui infecte la bactérie hôte Ralstonia solanacearum, contaminant elle-même les plants de tomate. D'après les résultats d'une équipe japonaise (2), ce phage constitue un agent potentiel de bio-contrôle car en infectant R. solanacearum, il est capable de réguler la contamination des plants de tomate.

Les scientifiques ont étudié la structure de ce phage par cryo-microscopie électronique. Cette technique consiste à vitrifier l'échantillon pour qu'il conserve sa structure native puis à l'observer à l'aide d'un microscope électronique. Les chercheurs ont utilisé le microscope ultrastable Polara et enregistré près de 10 000 images individuelles pour le même échantillon. Leur stratégie a été de diviser in silico les images du phage en différentes parties fonctionnelles (tête, tige hélicoïdale, tige complète), de les traiter, de les reconstruire de manière séparée, puis de les combiner pour obtenir la structure entière du phage en trois dimensions. La structure de la tête et de la queue hélicoïdale de ΦRSL1 a été résolue avec une précision subnanométrique de 9 Å. La structure de la queue entière, composée de la partie hélicoïdale externe mais aussi d'un tube interne, a quant à elle été déterminée à une résolution de 28 Å. C'est à ce jour la meilleure résolution obtenue pour une queue de phage.

La combinaison de ces résultats avec les données de cristallographie existant pour d'autres phages a mis en évidence que bien que la structure de ΦRSL1 soit basée sur des protéines ayant le même repliement que chez d'autres bactériophages, elle est beaucoup plus complexe qu'on ne l'imagine. La capside icosaédrique ou tête de ΦRSL1 est en effet recouverte par une première couche de protéines stabilisatrices, qui auraient pour fonction de rigidifier la capside, et par une seconde couche de protéines de décoration, qui assurerait une meilleure dissémination des virus en s'attachant à toute sorte de substrats véhiculés par l'air. La structure tridimensionnelle du tube interne de la queue du phage a par ailleurs révélé que la protéine qui la constitue est structurellement liée à des protéines bactériennes impliquées dans la sécrétion de toxines.

Cette étude structurale de ΦRSL1 prouve que le monde bactériophage est plus complexe que ce qui a été démontré à partir de l'étude de phages « modèles ». Si l'évolution permet la généralisation d'une fonction chez une espèce, la présence des deux couches de protéines supplémentaires dans la capside de ΦRSL1 témoigne en effet de l'existence de mécanismes d'adaptation spécifiques à chaque phage. En utilisant un certain nombre de blocs élémentaires, disponibles dans une sorte de boite à outils universelle, chaque bactériophage évolue séparément pour adapter sa structure à son environnement.

 

Figure : Structure 3D du bactériophage ΦRSL1. A) Ce phage se compose d'une tête (en bleu), d'une tige (en gris) et d'une lame basale (en orange). Les six extensions (en rose) périphériques à la plaque basale sont les fibres qui permettent au phage de reconnaitre la bactérie. Le cylindre (en rose) au milieu de la lame basale permet au phage de perforer la paroi bactérienne pour injecter son ADN à l'intérieur de la bactérie. B) La capside ou tête du phage se compose d'une protéine principale (en bleu), d'une couche de protéines stabilisantes (en rouge et rose) et d'une couche de protéines de décoration (en jaune et vert). Cette dernière se trouve à l'extérieur du phage et permettrait sa dissémination. © Grégory Effantin, Guy Schoehn

 

Notes

• (1) « ΦKZ-like viruses », a proposed new genus of myovirus bacteriophages, Victor Krylov, Donna May dela Cruz, Kirsten Hertveldt, Hans Ackermann, Archive of Virology (2007), 152(10):1955-1959, doi:10.1007/s00705-007-1037-7.

• (2) Biocontrol of Ralstonia solanacearum by treatment with lytic bacteriophages, Akiko Fujiwara, Mariko Fujisawa, Ryosuke Hamasaki, Takeru Kawasaki, Makoto Fujie, Takashi Yamada, Applied and Environmental Microbiology (2011), 77(12):4155-4162, doi:10.1128/AEM.02847-10.
  

 

En savoir plus

• Cryo-electron microscopy three-dimensional structure of the jumbo phage ΦRSL1 infecting
  the phytopathogen Ralstonia solanacearum, Grégory Effantin, Ryosuke Hamasaki, Takeru Kawasaki, Maria Bacia, Christine Moriscot, Winfried Weissenhorn, Takashi Yamada, Guy Schoehn, Structure (2013), 21(2):298-305, doi:10.1016/j.str.2012.12.017.
  

 

Contact chercheur

• Guy Schoehn
  Biologie structurale des interactions entre virus et cellule-hôte (UVHCI)
  UMI3265 CNRS/EMBL/Université Joseph Fourier
  EMBL Grenoble Outstation
  6 rue Jules Horowitz
  BP BP181
  38000 Grenoble