DS0401 - Etude des systèmes biologiques, de leur dynamique, des interactions et inter-conversions au niveau moléculaire

Restructuration de la cellule bactérienne par l'infection virale – BacVirRemodel

Restructuration de la cellule bactérienne par l'infection virale

L'infection virale impose un défi majeur à la cellule hôte. Les virus des bactéries (phages ou bactériophages) mettent en œuvre un ensemble de stratégies pour pirater les machines cellulaires et restructurer la cellule bactérienne. Ce projet vise à étudier les bases moléculaires et cellulaires de ces stratégies utilisées par le bactériophage SPP1 lors de l'infection de son hôte, la bactérie Gram-positive Bacillus subtilis.

Mécanismes moléculaires et cellulaires conduisant à la conversion d'une bactérie Gram-positive dans une usine virale

Nous avons décrit les effets cytologiques de l’infection de SPP1 sur la bactérie Bacillus subtilis et une partie majeur du réseau d’interactions des effecteurs nécessaires pour la multiplication de SPP1 dans la cellule hôte. Le projet actuel se base sur ces travaux et vise à analyser en temps réel l’assemblage, l’organisation et la dynamique des différents composants de l’usine de réplication du génome viral et des régions de stockage de particules virales qui se forment lors de l’infection. La participation de facteurs cellulaires dans ces processus sera aussi étudiée. Notre projet a deux objectifs majeurs :<br />- Le premier objectif du projet est de comprendre comment l’usine de réplication du génome viral s’assemble, son organisation spatiale et la dynamique de ses composants à différentes étapes du processus de réplication de l’ADN de SPP1.<br />- Le deuxième objectif du projet est de caractériser les mécanismes qui conduisent à la formation de foci de stockage de particules virales spatialement indépendants des usines de réplication du génome.

Nous employons différentes approches d’imagerie en temps réel, utilisant notamment la microfluidique, pour suivre la dynamique de différentes protéines virales lors de l’infection de Bacillus subtilis par SPP1. Ces études sont complémentés par de la qPCR, par l’analyse de changements dans la topologie 3D du chromosome bactérien (Hi-C) et par des études biochimiques des assemblages macromoléculaires virales formées lors du processus infectieux.

Nos travaux ont permis de montrer que l'infection de SPP1 conduit à la formation d'une usine qui confine la réplication du génome viral dans le cytoplasme de Bacillus subtilis. Des mutants bloquant différentes étapes de la réplication de SPP1 ont permis de figer l'usine à des états distincts. A des temps tardifs de l'infection deux régions de stockage de particules virales sont formées dans des régions proches, mais indépendantes, de l'usine de réplication. Le programme temporel et spatial de formation de ces zones de confinement de réactions biochimiques virales dans le cytoplasme bactérien a été analysé par imagerie en temps réel.
Nous avons aussi mis en évidence que la restructuration du cytoplasme bactérien lors de l’infection par SPP1 conduit à des changements du nucleoïde bactérien ainsi que de la machinerie de transcription cellulaire.

Nous avons actuellement une connaissance fine des réactions biochimiques conduisant à la réplication du génome de SPP1 et de l’assemblage de ses particules virales. Celle-ci combinée avec la mise au point récente des conditions d’imagerie permettant d’observer ces processus dans le cytoplasme bactérien seront utilisées pour suivre la dynamique spatio-temporelle des différentes protéines virales pendant le cycle infectieux de SPP1. La corrélation du comportement des protéines virales dans la cellule avec leur fonction et réseau d’interactions macromoléculaires apportera une avancée important dans la compréhension comment le phage utilise l’environnement cellulaire pour optimiser les réactions biochimiques conduisant à sa multiplication.

Communications dans des Conférences:
- A. Labarde et al, Phages on MARSeille, Marseille, Novembre 2015 (présentation orale).
- A. Labarde et al, The 100th Centennial Celebration of Phage Research, Paris, Avril 2017 (poster, prix pour le mieux poster)
- A. Labarde et al, 19th International Conference on Bacilli & Gram-Positive Bacteria, Berlin, Allemagne, Juin 2017 (présentation orale).

Pendant la longue co-évolution des virus et des cellules, les virus ont exploité de nombreuses voies pour détourner les machineries cellulaires afin d’assurer efficacement leur multiplication et dissémination. Les cellules ont, de leur côté, développé des mécanismes de défense pour contrer l’infection virale. L’étude des interactions virus-hôte ont aidé à comprendre les mécanismes d’infection et ont aussi permis de faire des découvertes majeures sur les voies de signalisation et de trafique cellulaire, et sur l’organisation de la cellule et de ses compartiments, entre autres. Ces travaux ont été menés presque exclusivement sur des virus eucaryotes, la biologie cellulaire de l’infection par des virus bactériens (phages ou bactériophages) étant très peu développée. Les recherches récentes qui permirent de découvrir l’organisation complexe de la cellule bactérienne ont créé l’élan pour étudier comment les phages profitent de l’architecture de l’hôte pour optimiser leur multiplication.

Ce projet réunit une équipe spécialisée dans la biologie des phages avec une équipe travaillant sur la biologie cellulaire bactérienne. Le système biologique est le bactériophage SPP1 qui infecte la bactérie Gram-positive Bacillus subtilis. Ce virus est un système modèle pour la lignée phylogénétique des phages caudés-herpesvirus. Nous avons découvert que le phage SPP1 assemble des usines virales indépendantes qui confinent la réplication du génome de SPP1 et l’assemblage de particules virales dans le cytoplasme bactérien. Notre collaboration vise à caractériser les mécanismes moléculaires et cellulaires conduisant à la formation de ces usines. Nous établirons leur composition et utiliserons des mutants pour figer leur assemblage à différents états pour définir l’ordre de recrutement de leurs composants. La dynamique de ces protéines sera imagée utilisant de la microfluidique pour suivre l’intégralité du cycle infectieux en temps réel. L’organisation nanoscopique des usines sera étudiée par microscopie à super-résolution et, dans le cadre d’une collaboration internationale, par cryo-electron-tomographie. Le recrutement du replisome bactérien vers l’usine de réplication virale et le transfert de l’ADN viral vers l'usine d’assemblage de la particule virale seront également analysés. L’ensemble de ces travaux vise à établir les mécanismes cellulaires et moléculaires qui permettent aux virus de détourner les machineries cellulaires et de transformer la bactérie dans une usine à virions. La connaissance fine de ces processus au niveau moléculaire sera un outil précieux pour développer des stratégies visant à manipuler ou bloquer l'infection virale.

Coordination du projet

Paulo TAVARES (Cnetre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Délégation Régionale Ile-de-France Secteur Sud)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS (DR4) Cnetre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Délégation Régionale Ile-de-France Secteur Sud
MICALIS UMR 1319 INRA

Aide de l'ANR 505 982 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2016 - 48 Mois

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