Bactériophages: qu'est-ce que c'est, fonction et signification clinique

Que sont les bactériophages ?

Bactériophagesaussi connu sous le nom phagesont des virus qui infectent et se multiplient uniquement dans les cellules bactériennes. Ils sont omniprésents dans l'environnement et reconnus comme l'agent biologique le plus abondant sur Terre. Leur taille, leur morphologie et leur organisation génomique sont extrêmement diverses. Cependant, ils consistent tous en un génome d'acide nucléique encapsulé dans un phage codé protéines de capside qui protègent le matériel génétique et assurent sa transmission au suivant cellule hôte. La microscopie électronique a permis de visualiser en détail des centaines de types de phages, dont certains ont des « têtes », des « pattes » et des « queues ». Malgré cela, les bactériophages sont immobiles et dépendent du mouvement brownien pour atteindre leurs objectifs.

Comme tous les virus, les bactériophages sont très spécifiques à l'espèce par rapport à leurs hôtes et n'infectent généralement qu'un seul type de bactéries ou même certaines souches au sein d'une espèce. Une fois qu'un bactériophage s'attache à un hôte sensible, il met en œuvre l'une des deux stratégies de réplication: lytique ou lysogène.

Pendant le cycle réplication lytique Le phage se fixe à une bactérie hôte sensible, insère son génome dans le cytoplasme de la cellule hôte et utilise les ribosomes de l'hôte pour produire ses protéines. Les ressources des cellules hôtes sont rapidement converties en génomes viraux et en protéines de capside, qui sont assemblées en plusieurs copies du phage d'origine. Lorsqu'une cellule hôte meurt, elle est lysée activement ou passivement, libérant un nouveau bactériophage pour infecter une autre cellule hôte.

En boucle réplication lysogène le phage se fixe également à une bactérie hôte sensible et introduit son génome dans le cytoplasme de la cellule hôte. Cependant, le génome du phage est plutôt intégré dans le chromosome de la cellule bactérienne ou maintenu comme un élément épisomique, où dans les deux cas il est répliqué et transmis aux cellules bactériennes filles, n'est pas les tuer. Les génomes phagiques intégrés sont appelés prophages et les bactéries qui les contiennent sont appelées lysogènes. Les prophages peuvent retourner au cycle de réplication lytique et tuer leur hôte, le plus souvent en réponse à des conditions environnementales changeantes.

Fonction bactériophage

Bien que les bactériophages ne puissent pas infecter et se multiplier dans les cellules humaines, ils sont une partie importante de le microbiome humain et le médiateur le plus important des échanges génétiques entre pathogènes et non pathogènes bactéries. Le transfert de gènes d'une souche bactérienne à une autre par un bactériophage est appelé transduction et peut se produire de manière généralisée ou spécifique.

• Dans la transduction "généralisée", des fragments aléatoires d'ADN génomique bactérien sont emballés à l'intérieur capsides du phage au lieu de l'ADN génomique du phage, car la cellule hôte se désintègre de la lytique réplication. Si un phage porteur de cet ADN bactérien l'introduit dans une cellule hôte saine, il peut s'intégrer dans le chromosome de cette bactérie, altérant son génome et le génome des cellules filles.
• On pense qu'au cours de la transduction "spécialisée", les phages lysogènes amplifiés dans une population bactérienne découpent une partie de l'ADN bactérien avec leur génome, initiant un cycle de réplication lytique. Étant donné que les lysogènes ont le même site d'intégration, tous les phages descendants transduisent le même gène bactérien à leurs nouveaux hôtes.

En plus des échanges génétiques, les bactériophages peuvent altérer les populations microbiennes car ils s'attaquent à certains types de bactéries sans en nuire aux autres. Depuis plus de 100 ans, les chercheurs tentent d'utiliser cette propriété comme traitement des infections bactériennes pathogènes chez l'homme et l'animal. Alors que les phages sauvages sont susceptibles d'avoir un effet temporaire sur les populations de bactéries sauvages, il existe de nombreux obstacles à l'utilisation clinique des bactériophages lytiques comme thérapie antimicrobienne (thérapie par les phages) dans de personnes.

Premièrement, les souches bactériennes sauvages sont très diverses et nombre d'entre elles sont résistantes à un ou plusieurs phages. De nombreux mécanismes de résistance sont connus, par exemple, un exemple bien connu est le système CRISPR-Cas9, actuellement créé comme un outil de manipulation génétique en laboratoire, émergeant comme mécanisme de défense bactérienne contre le bactériophage infections. De plus, les phages sont beaucoup plus immunogènes que les médicaments antimicrobiens et sont rapidement éliminés du sang par le système endothélial réticulaire. Leur grande taille par rapport aux antimicrobiens est susceptible de limiter leur utilisation topique si des cocktails de phages efficaces sont trouvés. Certains chercheurs ont suggéré que l'utilisation d'enzymes phagiques qui peuvent pénétrer les parois cellulaires bactériennes peut être une stratégie plus facile. À ce jour, il n'y a pas eu d'essais contrôlés randomisés en double aveugle montrant l'efficacité de l'une ou l'autre de ces stratégies chez l'homme.

Signification clinique

Les phages ont une importance clinique pour plusieurs raisons. Premièrement, de nombreuses toxines bactériennes hautement pathogènes sont codées par les génomes des bactériophages, de sorte que la bactérie hôte n'est pathogène que lorsqu'elle est lysogénéisée par le phage codant pour la toxine. Des exemples sont la toxine cholérique dans Vibrio cholerae, toxine diphtérique dans Corynebacterium diphtheriae, la neurotoxine botulique dans Clostridium botulinum, toxine binaire dans Clostridium difficile, et la toxine shiga de l'espèce Shigella. Sans toxines codées par les phages, ces types de bactéries sont soit beaucoup moins pathogènes, soit pas pathogènes du tout. La raison pour laquelle les phages codent pour ces toxines est inconnue. Alors que la toxine cholérique aide probablement à la fois le phage et l'hôte à atteindre leur prochaine proie en induisant diarrhée aqueuse abondante, paralysie résultant de la toxine botulique semble être inversée l'effet.

Deuxièmement, les bactériophages sont des vecteurs de transfert horizontal de gènes, y compris des gènes de résistance aux antimicrobiens. Ils ont également été conçus pour introduire des gènes dans certaines souches à des fins cliniques, bien que leur utilisation soit actuellement en phase de test.

Le troisième aspect cliniquement significatif des bactériophages est que leur détection peut être utilisée comme biomarqueur de la présence de leur hôte dans un échantillon environnemental complexe. Le plus souvent, ils sont utilisés comme substitut à la contamination fécale des sources d'eau. Si un phage est présent, alors très probablement un hôte est également présent. D'autre part, les phages ont été conçus pour produire une molécule détectable telle que luciférase lorsqu'ils infectent leur hôte, comme moyen de détecter des bactéries dans un échantillon mixte environnement.

Bien que les bactériophages soient en grande partie remplacés par de nouvelles technologies, ils ont également une signification clinique en raison de leur capacité à discriminer les souches de la même espèce bactérienne. La plupart des espèces bactériennes étudiées possèdent plusieurs bactériophages pathogènes, tout comme les humains en tant qu'espèce sont sensibles à plusieurs virus. Différentes souches au sein d'une espèce sont résistantes à certains phages mais pas à d'autres. En infectant systématiquement chaque souche avec un panel standard de phages pour cette espèce, chaque souche peut être identifiée par le type de sensibilité et de résistance à chaque type de phage. Pour taper les phages Staphylococcus aureus, par exemple, a utilisé un panel standardisé de bactériophages, largement distribué à l'échelle internationale, pour différencier les souches S. aureus. Avant le développement de techniques moléculaires à cette fin, telles que le typage de séquences multilocus et électrophorèse sur gel en champ pulsé, la lysotypie était le critère standard pour le suivi des souches dans fins épidémiologiques.

Enfin, les bactériophages ont été le premier type de virus à être découvert et sont devenus partie intégrante de nombreuses découvertes fondamentales de la biologie moléculaire. Par exemple, la preuve que l'ADN était une molécule qui transmet l'information génétique, le principal mécanismes de régulation des gènes et du code génétique, pour n'en citer que quelques-uns, ont été découverts en utilisant bactériophages.