Biologie moléculaire du gène chez les extrêmophiles


  RESPONSABLEProf. FORTERRE Patrick / forterre@pasteur.fr
  MEMBRESDr BASTA Tamara / BIZE Ariane / Dr CLEMENT Jean-Marie / CORTEZ Diego
Dr DEBARBIEUX Laurent / DESMOND Elie / Dr GRIBALDO Simonetta / Dr LUCAS-STAAT Soizick
Dr PRANGISHVILI David / Dr Peter REDDER / Dr SEZONOV Guennadi / TERRAS Chloé

  Rapport d'activité

Le monde vivant est actuellement divisé en trois grandes lignées cellulaires : les Bactéries, les Archaea et les Eucaryotes. Les chercheurs de notre unité s'intéressent aux événements et aux mécanismes qui ont permis la mise en place de ces trois lignées et au rôle que les virus ont joué dans cette histoire. Nous étudions en particulier les virus des Archaea hyperthermophiles, qui présentent une diversité morphologique et génétique tout à fait étonnante. Nous nous intéressons également à la possibilité d’utiliser les virus des bactéries à des fins thérapeutiques (phage thérapie). Enfin, nous utilisons les outils in silico de la phylogénomique pour étudier l’évolution des mécanismes moléculaires, en particulier dans le mode microbien. L’exploration de la biodiversité est pour nous une approche privilégiée pour mettre en évidence de nouveaux mécanismes, découvrir de nouvelles molécules d’intérêt biotechnologique, et imaginer de nouvelles approches thérapeutiques.

Etude des virus des Archaea hyperthermophiles

(David Prangishvili, Soizick Lucas, Tamara Basta, Peter Redder, Ariane Bize, Nicole Desnoues, Jean-Marie Clément, Guennadi Sezonov)

Les virus des Archaea hyperthermoacidophiles présentent une diversité morphologique et génétique beaucoup plus grande que celle des virus qui infectent les bactéries. Leur étude systématique, initiée dans les années 90 par Wolfram Zillig à Munich, a été réalisée par David Prangishvili, tout d’abord à Regensburg en Allemagne et depuis deux ans et demi dans notre unité. Les virus étudiés représentent six familles virales différentes (dont quatre décrites pour la première fois dans notre unité), qui infectent principalement des Archaea hyperthermophiles aérobies des genres Sulfolobus et Acidianus. Ces espèces représentent 75% de la totalité des virus hyperthermophiles actuellement connus et ne sont présentes que dans la collection de l’Institut Pasteur. Nous avons poursuivi cette année l’étude des virus déjà décris au niveau moléculaire et structurale. Une revue majeure a été publiée dans Nature Review Microbiology.

Un système de transcription in vitro pour Sulfolobus a été mis au point en collaboration avec Stephen Bell au MRC (Cambridge), dans le but d’étudier la transcription des gènes viraux. Ce système a permis de caractériser un régulateur transcriptionnel de l’hôte, Sta1, qui active spécifiquement la transcription à partir de promoteurs des gènes des virus de la famille Rudiviridae. La structure de cette protéine a été étudiée en collaboration avec l’unité de RMN des Biomolécules de l’Institut Pasteur (Muriel Delepierre). L’étude du virus AFV1 a montré que son génome linéaire devait être répliqué par un nouveau type de mécanisme qui pourrait impliquer une activité nucléotidyl transférase pour l’étape d’initiation.

Par ailleurs, nous avons terminé le séquençage du génome du virus en forme de bouteille ABV (Ampullavirus) (photo 1). Nous avons détecté dans ce génome un gène codant pour une ADN polymérase de la sous-famille des ADN polymérases B utilisant une protéine amorce. Un brevet a été déposé pour l’utilisation de cette polymérase thermophile.

Nous avons entamé une collaboration avec l’équipe de Nicolas Boisset (Paris VI) pour l’étude structurale de nos virus en microscopie électronique. En particulier, nous avons montré que le développement extracellulaire du virus ATV, unique dans le monde vivant, correspond à une redistribution du matériel viral entre le corps et les deux queues du virus (photo 2).

Nous avons obtenu un financement ANR (coordinateur, David Prangishvili) pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle et structurale des protéines codées par plusieurs familles virales en collaboration avec Christian Cambillau (Université de Provence/CNRS) et Herman van Tilbeurgh (Université Paris-Sud/CNRS). Les structures de 6 protéines ont été résolues. Nous avons publié la structure de la protéine p109 du virus AFV3 et nous avons montré qu’elle se fixe à l’ADN. Cette protéine, qui est l’une des seules à être présente chez des virus d’archées appartenant à différentes familles, est également codée par trois génomes bactériens. Nous avons montré par une approche in silico (voir ci-dessous) que l’homologue présent chez B. subtilis est codé par un virus intégré dans le génome de cette bactérie.

Finalement, nous avons récemment isolé de nouveaux virus à partir d’échantillons de sources chaudes provenant d’Islande (collaboration avec C. Schleper à Bergen) et de la péninsule du Kamchatka (collaboration avec E. Boch-Osmolovskaya, Russie). L’un de ces virus présente un nouveau morphotype encore jamais observé.

La phagothérapie: application thérapeutique des virus infectant les bactéries

(Laurent Debarbieux)

L’utilisation thérapeutique des virus capables de tuer rapidement les bactéries (bactériophages) pour lutter contre les infections bactériennes fût proposée et testée par Félix d’Hérelle au début du XXe siècle. Cependant cette approche resta très contestée et fût rapidement supplantée dans le monde occidental par la découverte des antibiotiques. Aujourd’hui dans un contexte où les bactéries sont de plus en plus résistantes aux antibiotiques, on «redécouvre» cette approche qui ne fût jamais abandonnée dans certains pays de l’Europe de l’Est. Dans notre unité, Laurent Debarbieux s’est récemment attaqué à la mise au point de méthodes de préparation et de purification de bactériophages et collabore avec plusieurs groupes qui testent le traitement d’infections bactériennes par les bactériophages dans différents modèles animaux.

Origine et évolution des génomes, phylogénie moléculaire et génomique comparative

(Simonetta Gribaldo, Diego Cortez, Elie Desmond, Chloé Terras, Patrick Forterre)

Par des approchesin silico (phylogénie moléculaire, génomique comparative), nous cherchons à retracer l'histoire des organismes (en particulier la mise en place des trois domaines et celle de leurs principaux phyla) ainsi que celle des grands mécanismes moléculaires (traduction, transcription, respiration, locomotion, etc.). Nous avons établi une phylogénie robuste et congruente du domaine Archaea basée sur plusieurs marqueurs moléculaires en collaboration avec Céline Brochier (Université d’Aix-Marseille). Nous intégrons dans cette phylogénie de nouvelles archées au fur et à mesure du séquençage de leurs génomes. Par ailleurs, nous étudions actuellement, la phylogénie des protéines impliquées dans la respiration oxydative et celles du flagelle des archées. Nous avons également entrepris d’étudier la phylogénie des eucaryotes par une nouvelle approche et nous envisageons de nous intéresser à la phylogénie des cyanobactéries.

Nous avons également poursuivi nos réflexions sur le rôle joué par les virus dans l’origine et l’évolution des génomes à ADN et dans la formation des trois domaines (Archées, Bactéries, Eucaryotes). Nos hypothèses sur l’origine des virus et l’invention de l’ADN par les virus ont été publiées dans « Virus Research » et dans PNAS. Notre hypothèse d’une origine virale de l’ADN a été commentée dans Nature (Whitfield, 439, p130, 2006) et Science (Zimmer, 312, p870, 2006).

Un étudiant en thèse, Diego Cortes, a développé une méthode d’analyse in silico qui permet de détecter et d’analyser les séquences étrangères récemment introduites dans les génomes d’archées et de bactéries. Ces résultats montrent que la plupart des gènes orphelins présents dans ces génomes sont sans doute d’origine virale. Une autre étudiante, Chloé Terras, termine sa thèse en histoire des sciences et épistémologie sur les travaux de Carl Woese (élaboration du concept d’archée) et leur impact sur le développement de la biologie contemporaine.

Mots-clés: Virus d’Archaea, Phage thérapie, Génomique comparative, Réplication, Transcription, Phylogénie moléculaire

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Photo 1 : Acidianus Bottle-shaped Virus, ABV.
Photo 2 : Images de virions d’Acidianus Two-tailed Virus, ATV, par cryo-microscopie électronique à transmission aux différents stades de leur développement.



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