Les bactériophages sont des virus qui ciblent spécifiquement les bactéries. Ils ont suscité un intérêt considérable pour la recherche en raison de leur immense potentiel en biotechnologie et en médecine, en particulier dans la lutte contreles bactéries multirésistantes 1,2,3. Malgré cela, la biologie des phages reste relativement peu étudiée. Une compréhension plus approfondie de leurs mécanismes moléculaires de détournement de leurs hôtes bactériens est essentielle pour exploiter pleinement leur potentiel thérapeutique et biotechnologique4. Pour étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents à l’infection efficace par les phages et pour concevoir les phages pour des applications spécifiques, la capacité de modifier génétiquement les génomes des phages est essentielle. Pourtant, il reste l’un des défis les plus importants dans le domaine de la biologie des phages 3,5,6.
L’ADN des phages est souvent modifié par des altérations chimiques spécifiques des bases puriques et pyrimidines, par exemple, la glycosylation et la méthylation de la cytosine. Ces modifications protègent le matériel génétique des phages de la reconnaissance et de la dégradation par les nucléases de l’hôte6. Bien que ces modifications soient cruciales pour la valeur adaptative des phages, elles constituent un obstacle important pour les approches d’ingénierie du génome des phages qui reposent sur des systèmes de ciblage de l’ADN 2,3,7.
Les stratégies de mutagénèse existantes, y compris les systèmes de restriction-modification et les technologies basées sur les protéines CRISPR (CRISPR-associated (CRISPR-associated (Cas), sont confrontées à des défis importants lors de la modification de l’ADN des phages en raison de modifications épigénétiques protectrices telles que la glycosylationde la cytosine 8. L’édition du génome médiée par CRISPR-Cas, qui est très efficace dans les cellules bactériennes et eucaryotes, repose sur deux étapes clés : le clivage précis de l’ADN au niveau des loci génomiques ciblés par la nucléase Cas, suivi de la réparation de l’ADN par recombinaison homologue avec l’ADN du donneur porteur de la mutationsouhaitée 1. Cependant, dans les phages, les modifications de l’ADN empêchent souvent les nucléases Cas de se lier ou de cliver efficacement le génome. De plus, la nature rapide et transitoire de la réplication des phages peut limiter davantage l’efficacité de la recombinaison homologue. Ces barrières rendent particulièrement difficile l’application de la technologie CRISPR-Cas ciblant l’ADN pour la mutagenèse par phage. Il a été démontré que les modifications de l’ADN des phages altèrent le ciblage de l’ADN des phages avec CRISPR-Cas à la fois in vitro et in vivo 6,7.
Pour relever les défis posés par les modifications protectrices de l’ADN dans les phages, nous introduisons une stratégie de mutagenèse du génome qui exploite l’activité de la méthylcytosine dioxygénase de translocation dix-onze (TET), en particulier NgTET. Chez les eucaryotes, les enzymes TET catalysent l’oxydation progressive de la cytosine méthylée par des processus itératifs : la méthylcytosine (5mdC) est d’abord convertie en hydroxyméthylcytosine (5hmdC), puis en formylcytosine (5fdC), et enfin en carboxycytosine (5cadC) (Figure 1).
Dans notre approche de mutagénèse des phages, NgTET est utilisé pour réduire temporairement l’abondance des modifications protectrices de l’ADN, améliorant ainsi l’accessibilité de l’ADN des phages aux outils d’édition du génome tels que les enzymes Cas9. NgTET a été sélectionné pour moduler le génome du bactériophage en raison de rapports antérieurs faisant état de son expression réussie sous forme soluble active chez un hôte bactérien hétérologue, en particulier E. coli. Cette propriété est essentielle, car le NgTET doit rester actif pendant l’infection par les phages10.

Figure 1 : Oxydation par étapes de la 5-méthylcytosine par la TET dioxygénase1. La dioxygénase TET catalyse l’oxydation successive de la 5-méthyl-2'-désoxycytidine (5mdC) en 5hmdC, en 5-formyl-2'-désoxycytidine (5fdC) et finalement en 5-carboxyl-2'-désoxycytidine (5cadC). Le produit final, le 5cadC, redevient spontanément ou enzymatiquement à la cytosine non modifiée (dC), contribuant ainsi à la régulation épigénétique dynamique. Ce processus en plusieurs étapes est essentiel à la méthylation active de l’ADN chez les eucaryotes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Étant donné que la méthylcytosine et l’hydroxyméthylcytosine sont des précurseurs communs des hypermodifications de l’ADN des phages, y compris les structures protectrices volumineuses comme les glycosylations, l’activité oxydative de la TET dioxygénase peut être exploitée pour empêcher la formation de ces hypermodifications de l’ADN9. Dans cette approche de mutagenèse du génome basée sur TET, nous exprimons de manière hétérologue NgTET de manière recombinante chez E. coli pour oxyder les cytosines hydroxyméthylées dans le génome du phage lors de l’infection, empêchant ainsi la formation de glycosylation volumineuse. En diminuant l’abondance de ces modifications volumineuses de l’ADN, notre approche peut augmenter l’accessibilité de l’ADN des phages aux nucléases CRISPR-Cas. Cette accessibilité accrue facilite la reconnaissance efficace des cibles, le clivage précis de l’ADN et l’introduction de mutations ponctuelles sans cicatrice dans le génome du phage, ce qui la distingue des méthodes traditionnelles de mutagénèse des phages qui reposent sur des délétions de gènes, des insertions de gènes rapporteurs ou l’intégration de jonctions artificielles pour la sélection de mutants basée sur la PCR 1,11. Ces stratégies conventionnelles ont jusqu’à présent été les seuls outils disponibles pour la mutagénèse ciblée dans les génomes de phages et représentent donc une base importante pour la méthode présentée ici. Cependant, les protéines d’un seul phage peuvent posséder plusieurs fonctions. La délétion de l’ensemble du gène codant pour une protéine d’intérêt perturbe toutes les fonctions associées. En revanche, l’introduction ciblée de mutations ponctuelles permet l’inactivation sélective de fonctions spécifiques, permettant une analyse détaillée de leurs rôles. À ce jour, les fonctions de nombreuses protéines de phages restent largement non caractérisées ; Ainsi, nous pouvons négliger des activités supplémentaires liées à un gène donné. Par conséquent, une approche minimaliste qui vise à supprimer une seule fonction tout en provoquant des changements minimes dans la protéine globale est préférée12,13. La méthode décrite ici permet des modifications génétiques précises sans perturber l’organisation ou la fonction génomique globale. Un autre défi majeur des méthodes précédentes de mutagénèse par phage était leur faible efficacité, qui produisait généralement des taux de mutation d’environ 0,1 %1,11. Avec cette technique, nous présentons la première stratégie de mutagénèse capable d’introduire des modifications d’un seul codon, ce qui permet de multiplier par sept l’efficacité du ciblage. En le combinant avec une méthode de criblage à haut débit basée sur l’ONT, la détection des mutations ponctuelles est simplifiée, éliminant ainsi la nécessité de cribler de grandes populations de phages pour isoler un mutant. La stratégie de mutagenèse basée sur TET décrite ici résout une limitation de longue date dans le domaine et permet une édition du génome plus fiable14.
Dans l’ensemble, cette méthode peut non seulement être appliquée pour faire progresser notre compréhension des mécanismes d’infection par les bactériophages, mais elle est également très prometteuse pour la biologie synthétique. En permettant une ingénierie précise et efficace du génome des phages, elle ouvre la voie à l’adaptation des phages à des applications spécifiques, augmentant ainsi leur potentiel pour des applications biotechnologiques et médicales.