Les systèmes à deux composants chez les bactéries. Les systèmes à deux composants chez les bactéries. UE BIO24c Cours Dominique Schneider

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1 Les systèmes à deux composants chez les bactéries. Les systèmes à deux composants chez les bactéries. UE BIO24c Cours ominique Schneider UE BIO24c Cours ominique Schneider

2 «Sentir» l environnement et s y adapter Les bactéries colonisent la plupart des niches écologiques. Souvent environnements changeants. Thermophiles Anaérobies Halophiles sychrophiles Barophiles Non athogènes Acidophiles athogènes Salmonella Agrobacterium étection des changements d environnements et adaptation de la physiologie.

3 Outils de perception de l environnement es protéines régulatrices : étection directe du signal Fixation d un ligand (signal) qui modifie l affinité des protéines régulatrices pour l AN Régulation de gènes cibles Adaptation Exemples: CR (Catabolite Repressor rotein) : ligand = AMc Fur (Ferric Uptake Regulator) : ligand = fer ferreux (Fe 2+ ) Les systèmes à deux composants : systèmes les plus répandus détection du signal puis transduction de ce dernier

4 Les systèmes à deux composants étecteur Signal Signal Membrane plasmique Senseur N (Histidine kinase) Transmetteur H N AT A H N H C C C hospho-transfert Régulateur de réponse Receveur Effecteur Régulateur actif Régulateur inactif Fixation à l AN

5 Les systèmes à deux composants résents dans de nombreux organismes : Bactéries Archaebactéries Eucaryotes unicellulaires Champignons lantes Rôles : Adaptation (stress, carences) Métabolisme Virulence ifférenciation

6 Exemples de systèmes à deux composants Senseur EnvZ Régulateur de réponse OmpR Rôle Régulation porines Organisme Escherichia coli Salmonella hor hob Carences phosphate Escherichia coli ArcB ArcA Conditions oxygène Escherichia coli FixL FixJ Fixation azote Rhizobium meliloti NarX NarL Nitrate réductase Escherichia coli BvgS BvgA Virulence Bordetella pertussis hoq ho Virulence Salmonella typhimurium Com ComA Compétence Bacillus subtilis CheA CheY Chimiotactisme Escherichia coli Salmonella

7 Les senseurs classiques étecteur eux régions distinctes : étecteur N-terminal, détection du signal Transmetteur C-terminal, transfert du signal au régulateur de réponse. Région charnière: transfert signal entre détecteur et transmetteur. Représentation dans les bases de données protéiques (SMART): N C Charnière Transmetteur HisKA : domaine portant le site accepteur de phosphate des histidine kinases + domaine de dimérisation HATase_c : domaine ATase des histidine kinases Signaux détectés: Ions : Mg2+, Ca2+ etites molécules : sucres, alcools, Facteurs physiques : pression, lumière,

8 Les senseurs : le domaine détecteur N-terminal Majorité des senseurs : ancrés à la membrane plasmique par des segments transmembranaires (classiquement 2, jouant parfois un rôle dans la détection du signal) domaine détecteur extra-cytoplasmique (périplasme pour les Gram-) Certains senseurs : libres dans le cytoplasme (pas de segment transmembranaire) domaine détecteur localisé dans le cytoplasme étection du signal : le plus souvent directe parfois, intervention d une protéine auxiliaire.

9 Les senseurs : la transmission du signal étection du signal: transmission du signal à travers la membrane vers le module transmetteur Mécanisme proposé : Changement de conformation du domaine détecteur en présence du signal Transmission à travers la membrane par les segments transmembranaires Changement de conformation au niveau de la région charnière Activation du domaine transmetteur. + signal

10 Les senseurs : le domaine transmetteur Taille : environ 240 acides aminés résence de 4 motifs très conservés: Motif H : le plus conservé, contenant le résidu histidine cible de l autophosphorylation (/N)xxxhxxxhhNLhxNAhx(F/G/Y)(S/T) hxhxhxxgxghxxxxxxxhfxxf N H N F G C Fhxxh(S/T/A) H (/E)h(R/K)TLxxh GGxGLGLxhhxxhhxxxxGxhxhxxxxxxGxxFxhxh

11 Les senseurs : le domaine transmetteur rotéines dimériques hosphorylation de l histidine conservée en trans eux sous domaines : de dimérisation contenant le résidu histidine conservé (Hp) catalytique responsable de l activité autokinase du senseur et capable de fixer le nucléotide nécessaire à cette activité (CA). N N CA AT AT CA Hp Hp

12 Les régulateurs de réponse (RR) eux modules: le module receveur présent dans tous les régulateurs de réponse porte le site accepteur de phosphate qui est phosphorylé par le senseur représentation dans les bases de données : le module effecteur présent dans un grand nombre de RR souvent un domaine de fixation à l AN. Receveur Effecteur

13 Les régulateurs de réponse : le module receveur Taille : environ 120 résidus lusieurs résidus très conservés : 3 résidus aspartate : 2 résidus Asp à l extrémité N-terminale 1 résidu Asp = site phosphorylé par le senseur 1 résidu lysine à l extrémité C-terminale. K

14 Les régulateurs de réponse : le module effecteur résent dans la majorité des RR Localisé le plus souvent à l extrémité C-terminale Trois familles en fonction du mode d action : modules de fixation à l AN les plus abondants classés en 7 sous familles Famille OmpR (hob, TorR, VirG, ArcA, ) WH Famille FixJ/NarL (egu, RcsB, ComA, UhpA, EvgA, ) HTH Famille NtrC (NifR1, AlgB, ) AT HTH modules impliqués dans des interactions protéine-protéine Famille CheY modules présentant une activité enzymatique. Famille CheB (RegA, ) Enz

15 Les modules effecteurs de liaison à l AN Famille OmpR (~ 230 résidus) : WH activation et/ou répression de promoteurs transcrits par ARN-σ 70 un domaine de fixation à l AN de type «Winged Helix» (hélice ailée) Famille FixJ/NarL (~ 220 résidus) : HTH activation de promoteurs transcrits par ARN-σ 70 un domaine de fixation à l AN classique HTH (hélice-tour-hélice) Famille NtrC (~ 460 résidus): activation des promoteurs transcrits par ARN-σ 54 un domaine de fixation à l AN classique HTH (hélice-tour-hélice) un domaine additionnel portant une activité ATase. AT HTH

16 Mécanismes d activation des régulateurs par phosphorylation La phosphorylation du module receveur peut permettre : 1. La libération du module effecteur Effecteur Effecteur 2. La dimérisation du module effecteur ou Effecteur Effecteur Effecteur Effecteur Effecteur 3. La libération et la dimérisation du module effecteur ou Effecteur Effecteur Effecteur Effecteur Effecteur Effecteur

17 Les systèmes à deux composants classiques : un phosphorelais en deux étapes Signal Signal N N N AT H H H C A C 1. Autophosphorylation C 2. hosphotransfert Fixation à l AN

18 es senseurs plus complexes Senseur classique Senseur hybride Senseur non orthodoxe H1 H1 Transmetteur classique H1 H1 1 Receveur 1 1 Transmetteur alternatif H2 H2 Receveur 1 : homologue au module receveur des RR Transmetteur alternatif (Ht : Histidine hosphotransfert ou H2): module d ~ 120 résidus un résidu histidine conservé, site de phosphorylation.

19 Les systèmes à deux composants complexes : un phosphorelais en quatre étapes Signal Signal N N AT H1 H1 AT 1 1 H2 2 H2 2 C

20 hosphorelais classiques Senseur orthodoxe H1 EnvZ 1 OmpR AN Osmorégulation (E. coli) Senseur type CheA H1 CheA CheY CheB 1 1 Enz Chimiotactisme (E. coli) hosphorelais complexes Senseur non-orthodoxe H1 1 H2 1 ArcB ArcA AN Contrôle anaérobie (E. coli) Senseur hybride H1 Sln1 1 H2 Ypd1 1 Ssk1 Osmorégulation (S. cerevisiae) Senseur orthodoxe KinA KinC H1 H1 Spo0F 1 H2 Spo0B 1 Spo0A AN Sporulation (B. subtilis)

21 Mécanisme de régulation des phosphorelais Activité des phosphorelais : régulée pour permettre l adaptation aux changements environnementaux éphosphorylation du RR quand signal disparaît : par le RR lui-même si activité phosphatase intrinsèque par des protéines annexes : le senseur partenaire du RR une protéine auxiliaire telle qu une phosphatase Modulation de l activité si présence d un signal antagoniste protéines bloquant l activité kinase des senseurs (anti-kinase) protéines bloquant la fixation du RR sur sa cible AN Régulation transcriptionnelle autorégulation positive ou négative.

22 éphosphorylation du régulateur de réponse par le senseur partenaire N Senseur orthodoxe H1 N H1 Senseur non-orthodoxe C 1? H2 C hosphorelais inverse Régulateur de réponse

23 Régulation d un phosphorelais complexe : le déclenchement de la sporulation chez Bacillus subtilis KinB KinC Kin N N N N Sda H1 H1 H1 N Anti-kinases KipA KinA - - H1 - KipI RapA RapB RapF C C 1 + H2 C C 1 H2 C H1 Spo0F Spo0B KinE 2 Effecteur 2 Effecteur Spo0A hosphatases + Spo0E

24 Le «Quorum-Sensing» chez les bactéries. UE BIO24c Cours ominique Schneider

25 La communication intercellulaire Utilisation par les bactéries de molécules chimiques pour communiquer et coordonner l expression génétique hénomène de régulation par «Quorum Sensing» Mécanisme permettant à une population bactérienne de percevoir la densité cellulaire grâce à de petites molécules chimiques appelées autoinducteurs ou phéromones.

26 Les bactéries capables de Quorum Sensing roduction et relargage de molécules chimiques (signal) appelées autoinducteurs Concentration externe en autoinducteurs augmente avec l accroissement de la densité cellulaire étection d une concentration critique seuil d autoinducteurs et altération de l expression des gènes Synchronisation d un comportement particulier à l échelle d une population Bactéries fonctionnant comme un organisme multicellulaire.

27 Le Quorum Sensing chez les bactéries à Gram négatif Le 1 er décrit : le système Lux chez Vibrio fischeri bactérie marine luminescente mode vie : libre dans milieu marin colonisation de l organe lumineux d une espèce de calmar (symbiose) quand forte densité bactérienne, induction de l expression des gènes nécessaires à la production de lumière. Jour 1: multiplication des bactéries Nuit: forte densité et émission de lumière Jour 2: relarguarge des bactéries. Calmar et émission de lumière: Attraction des proies Attraction sexuelle Répulsion des prédateurs (éblouissement, camouflage).

28 Le système Lux de Vibrio fischeri luxicabe: opéron luciférase nécessaire à la production de lumière luxr et luxi: gènes régulateurs de l expression de luxicabe. LuxAB : sous-unités α et β de la luciférase LuxCE : sous-unités d une acide réductase nécessaire pour l obtention du substrat de la luciférase LuxI : acyl-homosérine lactone synthase biosynthèse de l autoinducteur, une acyl-homosérine lactone (acyl-hsl) LuxR : activateur transcriptionnel fixant l autoinducteur domaine N-terminal = domaine de fixation de l acyl-hsl domaine C-terminal = domaine de fixation à l AN

29 Le système Lux de Vibrio fischeri Mécanisme : roduction de l Acyl-HSL par LuxI et diffusion Quand [Acyl-HSL] critique atteinte, fixation sur LuxR Fixation LuxR activé sur boîtes lux du promoteur de l opéron lux Activation de la transcription de l opéron lux roduction de lumière.

30 Le système Lux de Vibrio fischeri Faible densité cellulaire Transcription opérons lux à un niveau basal Niveau faible de LuxR et de LuxI Faible quantité de la molécule signal (HSL). Forte densité cellulaire Grande quantité de HSL Activation de LuxR Induction des opérons lux roduction accrue de LuxR, LuxI et HSL hénomène d autoinduction Emission de lumière. Holden et al. (2007) Encyclopedia of Life Sciences

31 Quorum Sensing chez les bactéries à Gram négatif Homologues au système Lux chez de nombreuses bactéries à Gram négatif Essentiellement symbiotiques ou pathogènes. Organismes Systèmes hénotypes régulés par QS Agrobacterium tumefaciens Tra Transfert conjugatif du plasmide Ti Erwinia carotovora Car roduction de carbapénèmes seudomonas aeruginosa Las Rhl roduction de facteurs de virulence Un régulateur R fixe spécifiquement une acyl-hsl donnée.

32 Les molécules-signal : les Acyl-HSL Cycle homosérine lactone conservé R Chaîne acyl : variation en longueur et en substitution O N H O O Groupements R Autoinducteurs Synthases Organismes OH C4 HSL RhlI seudomonas aeruginosa 3-hydroxy-C4 HSL LuxM Vibrio harveyi O O 3-oxo-C6 HSL LuxI Vibrio fischeri 3-oxo-C8 HSL TraI Agrobacterium tumefaciens

33 Le Quorum Sensing chez les bactéries à Gram positif Mécanisme différent des bactéries à Gram négatif : Signal = peptide souvent clivé et modifié Relarguage du signal : pas de diffusion mais un transport (utilisation de transporteurs spécifiques des oligopeptides) étection et transduction du signal : système à deux composants étection du signal par le senseur (histidine kinase) Autophosphorylation du senseur hosphorylation du régulateur de réponse Activation des gènes cibles par le régulateur phosphorylé.

34 Le système Agr de Staphylococcus aureus S. aureus = bactérie invasive causant de nombreuses maladies infectieuses chez l homme Régulation de la production des facteurs de virulence au cours des différents stades de l infection Changement dans l expression des gènes de virulence dépend d un système de régulation globale : agr (accessory gene regulator) Locus agr : rnaiii : code un petit ARN Opéron agrbca : code les protéines du Quorum Sensing agr : code le peptide précurseur (pro-ai) agrb : code une protéine avec activités de transporteur et de protéolyse agrca : codent un système à deux composants.

35 Le système Agr de Staphylococcus aureus Mécanisme : roduction de Agr (pro-ai) Sécrétion et clivage de pro-ai en AI par AgrB étection de AI par le senseur AgrC Autophosphorylation de AgrC et transfert de phosphate sur AgrA Activation de rnaiii et de l opéron agrbca par AgrA phosphorylé.

36 La molécule signal AI-2 Actuellement la seule molécule connue à être synthétisée à la fois par des bactéries à Gram positif et à Gram négatif Synthétisée par LuxS AI-2 = signal pour une communication inter-espèces Gène luxs : très conservé et présent dans plus de 60 espèces différentes (Gram positif et Gram négatif). Le système LuxS/AI-2 chez Vibrio harveyi V. harveyi : bactérie marine à Gram négatif Système LuxS/AI-2 impliqué dans régulation de la bioluminescence AI-2 se fixe sur une protéine périplasmique, Lux Complexe Lux/AI-2 interagit avec domaine périplasmique de LuxQ (HK).

37 Vibrio harveyi : trois systèmes de Quorum Sensing Trois signaux : - une acyl-hsl synthétisée par LuxM - la molécule AI-2 synthétisée par LuxS - la molécule CAI-1 dont la synthèse dépend de CqsA. Trois senseurs (HK) hybrides : - LuxN : détection de l acyl-hsl - LuxQ : détection du complexe Lux/AI-2 - CsqS : détection de CAI-1. 1 protéine LuxU (Hpt) et 1 protéine LuxO (RR)

38 Vibrio harveyi : Fonctionnement du Quorum sensing as de signaux. Signaux produits par LuxM, LuxS et CqsA dans le cytoplasme. iffusion ou transport des signaux à l extérieur. résence des signaux : LuxN, LuxQ et CsqS = phosphatases Absence des signaux : LuxN, LuxQ et CsqS = kinases hosphorelai inverse LuxO déphosphorylé bioluminescence, etc hosphorelai 4 étapes LuxO phosphorylé Transferts de groupements phosphate. Activations. Répressions. Milton Int. J. Medical Microbiol., 296, 2006,

39 Importance des signaux cellules-cellules dans un monde peuplé de nombreuses autres espèces.

40 Le quorum-sensing: interactions intra- et inter-espèces chez Vibrio Organisation en communautés multi-espèces. Communication entre les individus au sein d un groupe. ifférentiation entre le «soi» et le «non-soi». roduction et détection de signaux chimiques: quorum-sensing. Voleurs, assassins, espions dans le monde microbien.

41 Vols rotection contre les vols Assassins Tuer les bactéries «non-soi» et protéger le «soi». Capacités de stopper les conversations, d espionner.

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