Au cours des dernières années, CRISPR a fait la une des journaux pour avoir aidé à traiter des patients atteints de maladies aussi variées que la cécité et la drépanocytose. Cependant, bien avant que les humains ne cooptent CRISPR pour lutter contre les troubles génétiques, les bactéries utilisaient CRISPR comme système immunitaire pour combattre les virus.

Chez les bactéries, CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) fonctionne en volant de petits morceaux d'ADN infectant les virus et en stockant ces morceaux dans les gènes de la bactérie. Ces morceaux d'ADN, appelés espaceurs, sont ensuite copiés pour former de petites étiquettes, qui s'attachent aux protéines qui flottent jusqu'à ce qu'elles trouvent un morceau d'ADN correspondant. Lorsqu'ils trouvent une correspondance, ils la reconnaissent comme un virus et la découpent.

Maintenant, un article publié dans Current Biology par des chercheurs du département de physique et d'astronomie de l'Université de Pennsylvanie montre que le risque d'auto-immunité joue un rôle clé dans la façon dont CRISPR stocke les informations virales, guidant le nombre d'espaceurs que les bactéries conservent dans leurs gènes et la durée de ces espaceurs.

Idéalement, les espaceurs ne devraient correspondre qu'à l'ADN appartenant au virus, mais il y a une petite chance statistique que l'espaceur corresponde à un autre morceau d'ADN dans la bactérie elle-même. Cela pourrait entraîner la mort d'une réponse auto-immune.

"Le système immunitaire adaptatif des vertébrés peut produire des troubles auto-immuns. Ils sont très graves et dangereux, mais les gens n'y avaient pas vraiment réfléchi pour les bactéries", explique Vijay Balasubramanian, chercheur principal de l'article et professeur Cathy et Marc Lasry de Physique à la Faculté des Arts et des Sciences.

Équilibrer ce risque peut placer la bactérie dans une sorte de lien évolutif. Avoir plus d'espaceurs signifie qu'ils peuvent stocker plus d'informations et repousser plus de types de virus, mais cela augmente également la probabilité que l'un des espaceurs corresponde à l'ADN de la bactérie et déclenche une réponse auto-immune.

Balasubramanian, avec les co-auteurs Hanrong Chen du Genome Institute de Singapour et Andreas Mayer de l'University College de Londres, s'est rendu compte que la bactérie pouvait contourner ce problème en ayant des espaceurs plus longs. Semblable à la façon dont un mot de passe plus long pourrait être plus difficile à déchiffrer, un espaceur plus long serait moins susceptible de correspondre à l'ADN de la bactérie elle-même. Cela signifie que les bactéries avec des espaceurs plus longs pourraient avoir plus d'espaceurs dans l'ensemble sans risquer de déclencher une réponse auto-immune.

Avec cette idée en main, les chercheurs ont construit un modèle mathématique pour calculer le rapport entre la longueur de l'espaceur et le nombre total d'espaceurs que la bactérie devrait pouvoir stocker sans risquer une réponse auto-immune.

Une fois qu'ils ont élaboré le modèle mathématique, ils ont vérifié si leur prédiction était vraie dans les bactéries réelles en examinant l'ADN CRISPR de milliers d'espèces et en comparant la longueur de l'espaceur au nombre d'espaceurs stockés.

Les chercheurs ont trouvé une relation constante et étroite entre la longueur de l'entretoise et le nombre d'entretoises.

"La surprise pour moi, c'est que ça correspondait si bien juste en sortant de la boîte", a déclaré Balasubramanian. "C'est un cadre théorique très simple. Il y a un risque d'auto-immunité, mais c'est bien d'avoir plus de mémoire immunitaire, et vous devez équilibrer ces deux considérations. C'est juste très, très rare que quelque chose d'aussi simple corresponde aux données."

Balasubramanian dit que le succès du modèle montre que ce cadre de compromis mathématiques simples pourrait s'appliquer à des systèmes plus complexes, tels que les systèmes immunitaires des vertébrés, y compris les humains.

"Juste en faisant ce type de raisonnement statistique, vous pouvez faire beaucoup de progrès", dit-il. "Alors peut-être que nous pouvons revenir à l'immunité des vertébrés et utiliser les mêmes techniques."

Cette étude est également parmi les premières à décrire l'importance de la réponse auto-immune chez les bactéries. Balasubramanian et ses collaborateurs espèrent que les futures études de CRISPR prendront en compte le risque d'auto-immunité.

Quant aux travaux futurs de son groupe, il vise à explorer comment CRISPR stocke les informations en réponse à l'évolution des virus. Et bien qu'un modèle statistique d'évolution des gènes bactériens puisse sembler très éloigné de la vie quotidienne, Balasubramanian affirme que ce travail jette les bases d'une compréhension plus large de l'immunité, d'une manière qui peut permettre un aperçu plus approfondi des virus tels que la grippe saisonnière ou le nouveau SRAS-CoV -2 variantes.

D'après Balasubramanian, "ce sont toutes les pièces d'un puzzle plus grand."