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Rétron

Un rétron est une séquence d'ADN distincte présente dans le génome de nombreuses espèces bactériennes, qui code une enzyme transcriptase inverse (RT) et un hybride ADN/ARN simple brin unique appelé ADN simple brin multicopie (en) (ADNsm). L'ARN msr du rétron est l'ARN non codant produit par les éléments du rétron ; il constitue le précurseur immédiat de la synthèse de l'ADNsm. Cet ARN msr se replie en une structure secondaire caractéristique comportant un résidu guanosine conservé à l'extrémité d'une « tige-boucle ». La synthèse d'ADN par la transcriptase inverse codée par le rétron aboutit à une chimère ADN/ARN composée d'un court segment d'ADN simple brin lié à un court segment d'ARN simple brin. Le brin d'ARN est relié à l'extrémité 5' de la chaine d'ADN par une liaison phosphodiester 2'-5' impliquant la position 2' du résidu guanosine interne conservé.

Structure secondaire prédite et conservation de la séquence du msr.

Séquence et structure

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L'opéron du rétron porte une séquence promotrice P qui contrôle la synthèse d'un transcrit d'ARN contenant trois locus : msr, msd et ret. Le produit du gène ret, une transcriptase inverse, transforme la partie msd/msr du transcrit d'ARN en ADNsm.

Les éléments de rétron ont une longueur d'environ 2 kb. Ils contiennent un opéron unique contrôlant la synthèse d'un transcrit d'ARN portant trois locus — msr, msd et ret — impliqués dans la synthèse de l'ADNsm. La partie ADN de l'ADNsm est codée par le gène msd et la partie ARN par le gène msr, tandis que le produit du gène ret est une transcriptase inverse similaire à celles produites par les rétrovirus et d'autres types de rétroéléments[1]. Comme les autres transcriptases inverses, la RT du rétron possède sept régions d'acides aminés conservés (numérotées de 1 à 7 sur la figure), dont une séquence Tyr-Ala-Asp-Asp (YADD) hautement conservée associée au cœur catalytique. Le produit du gène ret est responsable de la transformation de la partie msd/msr du transcrit d'ARN en ADNsm.

Classification et occurrence

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Pendant de nombreuses années après leur découverte chez les virus d'animaux, on pensait les transcriptases inverses absentes chez les procaryotes. Mais depuis, des éléments codant une transcriptase inverse — appelés rétroéléments — ont été identifiés chez de nombreuses bactéries :

  • les rétrons constituent la première famille de rétroéléments découverte chez les bactéries ;
  • les introns de groupe II (en) : ce sont les rétroéléments bactériens les mieux caractérisés et le seul type connu à présenter une mobilité autonome ; ils sont constitués d'une transcriptase inverse codée au sein d'une structure d'ARN catalytique capable d'autoépissage. La mobilité des introns de groupe II est assurée par une ribonucléoprotéine comprenant un intron en forme de lasso lié à deux protéines codées par l'intron[2] ;
  • les rétroéléments générateurs de diversité (DGR, pour diversity-generating retroélements)[3]. Les DGR ne sont pas mobiles, mais ils ont pour fonction de diversifier les séquences d'ADN[2]. Par exemple, les DGR régulent le passage entre les phases pathogène et libre chez Bordetella[4].

Fonction

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Les rétrons n'étant pas mobiles, leur présence chez diverses espèces bactériennes ne relève pas du phénomène de l'« ADN égoïste ». Au contraire, les rétrons bactériens confèrent aux bactéries hôtes une certaine protection contre les infections phagiques. Plusieurs rétrons sont situés dans des régions d'ADN adjacentes à des gènes codant certaines protéines effectrices. Lorsque leur expression est activée, la plupart de ces effecteurs et les rétrons qui leur sont associés agissent de concert pour bloquer l'infection phagique[5],[6].

Rétrons en génie génétique

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Les rétrons se sont imposés comme des outils puissants en génie génétique grâce à leur capacité unique à produire de l'ADN simple brin (ADNsb) à l'intérieur des cellules. Voici quelques-unes des principales applications des rétrons :

Production d'ADN in situ pour l'édition du génome

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Les rétrons génèrent de l'ADNsb par transcription inverse d'un ARN non codant. Cet ADNsb peut servir de matrice donneuse pour l'édition génomique, par exemple dans le cadre de techniques de recombineering ou de systèmes basés sur CRISPR. Cette approche permet d'introduire des mutations précises et ciblées sans nécessiter l'apport d'ADN exogène[7],[8].

Recombineering à l'aide de banques de rétrons (RLR)

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La technique RLR permet une édition du génome massivement parallèle. Elle utilise des rétrons pour générer simultanément des millions de mutations uniques, chacune étant marquée par un « code-barres » moléculaire[9],[10].

Cela permet aux chercheurs de :

Enregistrement biologique

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Des rétrons ont été modifiés pour servir d'enregistreurs moléculaires, capturant des informations sur des évènements cellulaires par l'intégration de séquences d'ADN spécifiques dans le génome. Cette méthode pourrait être utilisée pour surveiller l'expression génique ou les changements environnementaux au cours du temps[11].

Toxicité réduite par rapport à CRISPR

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Contrairement au système CRISPR-Cas9, qui induit des cassures double brin (CDB) potentiellement toxiques ou susceptibles d'entraîner des effets non ciblés, l'édition basée sur les rétrons évite la formation de CDB, constituant ainsi une alternative moins toxique pour certaines applications[12],[13].

Biologie synthétique et ingénierie évolutive

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Les rétrons sont étudiés pour l'évolution en continu de génomes synthétiques, permettant des cycles itératifs de mutation et de sélection afin de faire évoluer de nouveaux caractères ou de nouvelles fonctions chez les microorganismes[14],[15],[16].

Notes et référence

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  1. ↑ B.C. Lampson, M. Inouye et S. Inouye, « Retrons, msDNA, and the bacterial genome », Cytogenetic and Genome Research, vol. 110, nos 1-4,‎ , p. 491–499 (ISSN 1424-8581, DOI 10.1159/000084982, lire en ligne, consulté le )
  2. 1 2 Bob Medhekar et Jeff F. Miller, « Diversity-generating retroelements », Current Opinion in Microbiology, vol. 10, no 4,‎ , p. 388–395 (ISSN 1369-5274, PMID 17703991, PMCID 2703298, DOI 10.1016/j.mib.2007.06.004, lire en ligne, consulté le )
  3. ↑ Dawn M. Simon et Steven Zimmerly, « A diversity of uncharacterized reverse transcriptases in bacteria », Nucleic Acids Research, vol. 36, no 22,‎ , p. 7219–7229 (ISSN 1362-4962, PMID 19004871, PMCID 2602772, DOI 10.1093/nar/gkn867, lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ Minghsun Liu, Mari Gingery, Sergei R. Doulatov et Yichin Liu, « Genomic and Genetic Analysis of Bordetella Bacteriophages Encoding Reverse Transcriptase-Mediated Tropism-Switching Cassettes », Journal of Bacteriology, American Society for Microbiology, vol. 186, no 5,‎ , p. 1503–1517 (PMID 14973019, PMCID 344406, DOI 10.1128/jb.186.5.1503-1517.2004, lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ Jacob Bobonis, Karin Mitosch, André Mateus et Nicolai Karcher, « Bacterial retrons encode phage-defending tripartite toxin-antitoxin systems », Nature, vol. 609, no 7925,‎ , p. 144–150 (ISSN 1476-4687, PMID 35850148, PMCID 11938430, DOI 10.1038/s41586-022-05091-4, lire en ligne, consulté le )
  6. ↑ (en) Adi Millman, Aude Bernheim, Avigail Stokar-Avihail et Taya Fedorenko, « Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense », Cell, Elsevier, vol. 183, no 6,‎ , p. 1551–1561.e12 (ISSN 0092-8674 et 1097-4172, PMID 33157039, DOI 10.1016/j.cell.2020.09.065, lire en ligne, consulté le )
  7. ↑ Asim G. Khan, Matías Rojas-Montero, Alejandro González-Delgado et Santiago C. Lopez, « An experimental census of retrons for DNA production and genome editing », Nature Biotechnology, vol. 43, no 6,‎ , p. 914–922 (ISSN 1546-1696, PMID 39289529, PMCID 11911249, DOI 10.1038/s41587-024-02384-z, lire en ligne, consulté le )
  8. ↑ Anna J. Simon, Andrew D. Ellington et Ilya J. Finkelstein, « Retrons and their applications in genome engineering », Nucleic Acids Research, vol. 47, no 21,‎ , p. 11007–11019 (ISSN 1362-4962, PMID 31598685, PMCID 6868368, DOI 10.1093/nar/gkz865, lire en ligne, consulté le )
  9. ↑ Navdeep Kaur et Pratap Kumar Pati, « Retron Library Recombineering: Next Powerful Tool for Genome Editing after CRISPR/Cas », ACS Synthetic Biology, vol. 13, no 4,‎ , p. 1019–1025 (ISSN 2161-5063, DOI 10.1021/acssynbio.3c00667, lire en ligne, consulté le )
  10. ↑ Alejandro González-Delgado, Santiago C. Lopez, Matías Rojas-Montero et Chloe B. Fishman, « Simultaneous multi-site editing of individual genomes using retron arrays », Nature Chemical Biology, vol. 20, no 11,‎ , p. 1482–1492 (ISSN 1552-4469, PMID 38982310, PMCID 11512673, DOI 10.1038/s41589-024-01665-7, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ Hyeri Jang et Sung Sun Yim, « Toward DNA-Based Recording of Biological Processes », International Journal of Molecular Sciences, vol. 25, no 17,‎ , p. 9233 (ISSN 1422-0067, PMID 39273181, PMCID 11394691, DOI 10.3390/ijms25179233, lire en ligne, consulté le )
  12. ↑ Max G. Schubert, Daniel B. Goodman, Timothy M. Wannier et Divjot Kaur, « High-throughput functional variant screens via in vivo production of single-stranded DNA », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 118, no 18,‎ , e2018181118 (ISSN 1091-6490, PMID 33906944, PMCID 8106316, DOI 10.1073/pnas.2018181118, lire en ligne, consulté le )
  13. ↑ Bin Zhao, Shi-An A. Chen, Jiwoo Lee et Hunter B. Fraser, « Bacterial Retrons Enable Precise Gene Editing in Human Cells », The CRISPR journal, vol. 5, no 1,‎ , p. 31–39 (ISSN 2573-1602, PMID 35076284, PMCID 8892976, DOI 10.1089/crispr.2021.0065, lire en ligne, consulté le )
  14. ↑ Wenjun Jiang, Gundra Sivakrishna Rao, Rashid Aman et Haroon Butt, « High-efficiency retron-mediated single-stranded DNA production in plants », Synthetic Biology, vol. 7, no 1,‎ , ysac025 (ISSN 2397-7000, DOI 10.1093/synbio/ysac025, lire en ligne, consulté le )
  15. ↑ Adam J Ellington et Christopher R Reisch, « Efficient and iterative retron-mediated in vivo recombineering in Escherichia coli », Synthetic Biology, vol. 7, no 1,‎ , ysac007 (ISSN 2397-7000, DOI 10.1093/synbio/ysac007, lire en ligne, consulté le )
  16. ↑ Wenqian Liu, Siqi Zuo, Youran Shao et Ke Bi, « Retron-mediated multiplex genome editing and continuous evolution in Escherichia coli », Nucleic Acids Research, vol. 51, no 15,‎ , p. 8293–8307 (ISSN 0305-1048, DOI 10.1093/nar/gkad607, lire en ligne, consulté le )
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