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Bactériophages

Les virus qui infectent des bactéries. Les cycles lytique et lysogénique.

Introduction

Même les bactéries peuvent contracter un virus ! Les virus qui infectent les bactéries sont appelés bactériophages et certains d'entre eux ont été étudiés en détail en laboratoire. Les bactériophages comptent donc parmi les virus que l'on connait le mieux.
Dans cet article, on va examiner deux cycles différents que les bactériophages peuvent adopter pour infecter leurs hôtes bactériens :
  • Le cycle lytique : le phage infecte une bactérie, détourne sa machinerie afin de produire beaucoup de phages, puis tue la cellule en la faisant exploser (lyse).
  • Le cycle lysogénique : le phage infecte une bactérie et insère son ADN dans le chromosome bactérien, ce qui permet à l'ADN du phage (désormais appelé prophage) d'être copié et transmis en même temps que l'ADN de la cellule.
Examinons de plus près chacun de ces cycles.

Un bactériophage est un virus qui infecte les bactéries

Un bactériophage, ou phage en forme abrégée, est un virus qui infecte les bactéries. Comme les autres types de virus, les bactériophages varient considérablement en forme et au niveau de leur matériel génétique.
  • Le génome des phages peut être constitué d'ADN ou d'ARN, et contient entre quatre et plusieurs centaines de gènes1,2,3.
  • La capside d'un bactériophage peut adopter une forme icosaédrique, filamenteuse ou mixte. Cette structure mixte semble être une caractéristique réservée aux phages et à leurs cousins (elle n'a pas été rencontrée chez les virus eucaryotes)4,5.
    Phage icosaédrique, phage à symétrie mixte et phage filamenteux.
    Image modifiée à partir de "Corticovirus," "T7likevirus," et "Inovirus, de ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.

Infections par des bactériophages

Tout comme les autres virus, les bactériophages doivent infecter une cellule hôte pour pouvoir se reproduire. Les différentes étapes du processus d'infection constituent le cycle de vie du phage.
Certains phages ne peuvent se reproduire que par le biais d'un cycle de vie lytique, où ils font éclater et tuent la cellule hôte. D'autres phages peuvent alterner entre les cycles de vie lytique et lysogénique. Lors du cycle lysogénique, ils ne tuent pas la cellule hôte (et sont plutôt copiés conjointement avec l'ADN de l'hôte à chaque division cellulaire).
On va examiner ces deux cycles. On va prendre l'exemple d'un phage qu'on appellera lambda (λ), qui infecte les bactéries E. coli et qui peut basculer entre les cycles lytique et lysogénique.

Cycle lytique

Lors d'un cycle lytique, le phage agit comme un virus classique : il s'empare de la cellule hôte et utilise ses ressources pour produire beaucoup de nouveaux phages, ce qui entraîne la lyse (éclatement) et donc la mort de la cellule.
  1. L'attachement : les protéines de la "queue" du phage se lient à un récepteur spécifique (dans ce cas-ci, un transporteur de sucre) situé à la surface de la bactérie.
  2. L'entrée : le phage injecte son génome d'ADN double-brin dans le cytoplasme de la bactérie.
  3. La réplication de l'ADN et synthèse de protéines : l'ADN du phage est copié, et les gènes de phage sont exprimés pour fabriquer des protéines, telles que les protéines de capside.
  4. L'assemblage du nouveau phage : les capsides s'assemblent à partir des protéines capsides et sont remplies d'ADN pour générer beaucoup de nouvelles particules virales.
  5. La lyse : plus tard dans le cycle lytique, le phage exprime les gènes codant les protéines qui créent des trous dans la membrane plasmique et dans la paroi cellulaire. Ces trous permettent l'entrée d'eau, qui fait gonfler et éclater la cellule comme un ballon surchargé d’eau.
L'éclatement ou lyse de la cellule libère des centaines de nouveaux phages, qui peuvent ensuite trouver et infecter d'autres cellules hôtes à proximité.
Image modifiée de "Conjugation," par Adenosine (CC BY-SA 3.0). L'image modifiée est enregistrée sous une license CC BY-SA 3.0. Inspirée d'un schéma similaire dans Alberts et al.6
Les étapes du cycle lytique comprennent :
  1. L'attachement : les protéines de la "queue" du phage se lient à un récepteur spécifique (dans ce cas-ci, un transporteur de sucre) situé à la surface de la bactérie.
  2. L'entrée : le phage injecte son génome d'ADN double-brin dans le cytoplasme de la bactérie.
  3. La réplication de l'ADN et synthèse de protéines : l'ADN du phage est copié, et les gènes de phage sont exprimés pour fabriquer des protéines, telles que les protéines de capside.
  4. L'assemblage du nouveau phage : les capsides s'assemblent à partir des protéines capsides et sont remplies d'ADN pour générer beaucoup de nouvelles particules virales.
  5. La lyse : plus tard dans le cycle lytique, le phage exprime les gènes codant les protéines qui créent des trous dans la membrane plasmique et dans la paroi cellulaire. Ces trous permettent l'entrée d'eau, qui fait gonfler et éclater la cellule comme un ballon surchargé d’eau.
L'éclatement ou lyse de la cellule libère des centaines de nouveaux phages, qui peuvent ensuite trouver et infecter d'autres cellules hôtes à proximité. Ainsi, quelques cycles lytiques d'infection suffisent au phage pour se propager, tel un feu de forêt, au sein de la population bactérienne.

Cycle lysogénique

Le cycle lysogénique permet à un phage de se reproduire sans tuer son hôte. Certains phages ne peuvent avoir recours qu'au cycle lytique, mais le phage lambda (λ), lui, peut alterner entre les deux cycles.
Dans le cycle lysogénique, les deux premières étapes (attachement et injection d'ADN) se produisent de la même façon que pour le cycle lytique. Cependant, une fois à l'intérieur de la cellule, l'ADN du phage n'est pas immédiatement copié ou exprimé pour fabriquer des protéines. Au contraire, l'ADN viral se recombine avec une région particulière du chromosome bactérien et s'y intègre.
Cycle lysogénique :
  1. Attachement. Le bactériophage s'accroche à la bactérie.
  2. Entrée. Le bactériophage injecte son ADN dans la bactérie.
  3. Intégration. L'ADN du phage se recombine avec le chromosome bactérien et s'y intègre sous forme de prophage.
  4. Division cellulaire. Chaque fois qu'une cellule contenant un prophage se divise, ses cellules filles héritent du prophage.
Image modifiée de "Conjugation," par Adenosine (CC BY-SA 3.0). L'image modifiée est enregistrée sous une license CC BY-SA 3.0. Inspirée d'un schéma similaire dans Alberts et al.6
L'ADN intégré du phage, appelé prophage, n'est pas actif : ses gènes ne sont pas exprimés, et il n'induit pas la production de nouveaux phages. Cependant, à chaque division de la cellule hôte, le prophage est copié avec l'ADN de l'hôte et se propage ainsi. Le cycle lysogénique est moins voyant (et moins sanglant) que le cycle lytique, mais en fin de compte, c'est juste un autre moyen pour que le phage de se reproduire.
Dans les bonnes conditions, le prophage peut devenir actif et sortir du chromosome bactérien, ce qui déclenche les étapes suivantes du cycle lytique (copie de l'ADN et synthèse de protéines, assemblage des phages et lyse).
  1. Le prophage s'extrait du chromosome bactérien et se circularise.
  2. Le cycle lytique commence.
Image modifiée de "Conjugation," par Adenosine (CC BY-SA 3.0). L'image modifiée est enregistrée sous une license CC BY-SA 3.0.

Lyser ou ne pas lyser ?

Comment un phage peut-il "décider" d'entrer dans un cycle lytique ou lysogénique lorsqu'il infecte une bactérie ? L'un des principaux facteurs est le nombre de phages qui infectent simultanément la cellule9. Lorsqu'un grand nombre de phages co-infectent une cellule, cela augmente la probabilité que le cycle infectieux soit lysogénique. Cette stratégie permet d'éviter que les phages n'éliminent tous leurs hôtes bactériens (en modérant l'attaque quand le ratio phage/hôte devient trop élevé)10.
Qu'est-ce qui déclenche l'excision du prophage à partir du chromosome bactérien et son entrée dans le cycle lytique ? En laboratoire, du moins, les agents capables d'induire des dommages de l’ADN (comme les rayons ultraviolets et les produits chimiques) provoquent la réactivation de la plupart des prophages au sein d'une population. Toutefois, une petite fraction des prophages devient spontanément "lytique", même en l'absence de ces stimuli externes7,11.

Bactériophage versus antibiotiques

Avant la découverte des antibiotiques, des recherches considérables ont été menées sur les bactériophages en tant que traitement des maladies bactériennes humaines. Les bactériophages n'attaquant que leurs bactéries hôtes, et non les cellules humaines, ils constituent de bons candidats potentiels pour traiter les maladies bactériennes chez l'homme.
Après la découverte des antibiotiques, la phagothérapie a été largement abandonnée dans de nombreuses parties du monde (en particulier dans les pays anglophones). Cependant, les phages ont continué à être utilisés à des fins médicales dans plusieurs pays, y compris en Russie, en Géorgie et en Pologne, où ils servent encore aujourd'hui12,13.
Il y a un intérêt croissant à reprendre "la phagothérapie" dans les autres pays, car les bactéries résistantes aux antibiotiques sont de plus en plus problématiques. Des recherches sont encore nécessaires pour déterminer si les phages sont sûrs et efficaces, mais qui sait ? Un jour, votre médecin pourrait vous prescrire des phages à la place de la pénicilline !

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