Etudes au microscope électronique du transport des protéines durant la traduction chez E. Coli, et de la terminaison de la traduction chez l'homme

par Clara Ottilie Freifrau Loeffelholz von Colberg

Thèse de doctorat en Biologie Structurale et Nanobiologie

Sous la direction de Christiane Schaffitzel.

Soutenue le 05-11-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec European Molecular Biology Laboratory. Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Uwe Schlattner.

Le jury était composé de Irina Gutsche, Stéphane Thore.

Les rapporteurs étaient Katharina Strub, Elisabeth Sauer-Eriksson.


  • Résumé

    La particule de reconnaissance du signal (signal recognition particle-SRP) et son récepteur (FtsY chez Escherichia coli) médiatise le processus simultané de traduction-ciblage de la protéine en dirigeant le complexe ribosome-nascent chain (RNCs) vers la membrane de destination. La reconnaissance par la SRP d'une charge RNC à transporter dépend de la présence de la partie N-terminale. L'assemblage de Ftsy au complexe RNC-PRS entraine plusieurs changements de configuration de SRP et de FtsY durant le cycle de direction. D'abord un stade « précoce » sans GTP est adopté. Celui-ci est stabilisé par le RNC. Ensuite une configuration « fermée » avec GTP est formée. Cette dernière peut s'activer pour hydrolyser GTP, elle entre alors dans sa configuration « active ». La succession de ces trois étapes conduit à la libération du complexe SRP-récepteur d'avec le ribosome et de sa protéine en cours de traduction, et leur mise à disposition au pore de la membrane. Dans ce projet, notre intérêt se limite à la traduction par le ribosome de la séquence signale EspP (RNCEspP). In vivo, EspP est une protéine dont le ciblage vers le récepteur membranaire se réalise après la traduction. Cependant il arrive que RNCEspP se lie au complexe SRP-FtsY, faisant échouer le ciblage. Nous avons étudié les bases structurales du rejet de RNCEspP par SRP et FtsY. Pour cela nous avons effectué la comparaison de la structure RNCEspP-SRP-FtsY obtenue par observation au cryo-microscope électronique avec d'autres complexes ribosome-SRP-récepteurs traduisant la charge FtsQ, qui est elle normalement ciblé par SRP. Nous avons cherché à observer la différence de structure entre les complexes SRP-FtsY dans les deux cas. Deux différences majeurs entre les complexes de ciblages contenants les séquences RNCFtsQ et RNCEspP ont été observés. Premièrement, dans le cas de la structure de RNCEspP le domaine M -Ffh est attaché à l'hélice 59 du ribosome, alors que celui-ci est détaché dans le cas de la structure de RNCFtsQ. Nous pensons que le domaine M empêche la libération de la séquence de signal, étape nécessaire à la réalisation du ciblage. Deuxièmement, dans le cas de la structure du complexe avec RNCEspP l'arrangement Ffh-FtsY avec le domaine NG était flexible. Ceci indiquerait que le complexe “précoce” formé sur RNCEspP est moins stable que celui formé sur RNCFtsQ. Une étude biochimique utilisant le transfert d'énergie via résonance fluorescente a corroboré ce résultat, montrant que FTS Y est lié avec une affinité moindre dans le cas du complexe précoce formé sur RNCEspP et que la reconfiguration au stade de complexe fermé est moins efficace. Une analyse biochimique plus poussée des variantes de la séquence de EspP montre que la partie N-Terminale de la séquence est la principale cause de rejet du cycle de ciblage via SRP.Dans un second projet, nous avons étudié la configuration “fermée” de SRP et ftsY en complexe avec une charge RNC stabilisée par un analogue non-hydrolysable de GTP (GMP-PCP). Pour franchir la barrière cinétique qui permet de passer du complexe précoce au complexe fermé, nous avons utilisé une version tronquée de FtsY, à laquelle la séquence terminale avait été amputée de tout le domaine acide (A-) ainsi que de la première hélice alpha du domaine NG. De plus, pour la formation du complexe, nous avons utilisé une construction contenant les 50 premiers acides aminés du leader peptidase (RNCLep50). En l'absence de nucléotides, notre reconstruction au cryo-EM a montré une configuration similaire à celle du stade précoce, dans laquelle Ftsy et Ffh- domaine NG, sont proche du tetraloop de la 4.5 S ARN. Une incubation avec GMP-PCP induit un détachement du domaine NG d'avec la queue du tetraloop. Il semblerait que les domaines NG soient flexibles dans l'état clos, et non attaché à la terminaison ouverte de l'ARN.

  • Titre traduit

    E. coli co-translational protein targeting and human translation termination studied by electron microsocopy


  • Résumé

    The signal recognition particle (SRP) and its receptor (FtsY in Escherichia coli) mediate co-translational protein targeting by delivering ribosome nascent chain complexes (RNCs) to the target membrane. Recognition of an RNC cargo by SRP is dependent on an N-terminal signal sequence. Binding of FtsY to the RNC-SRP complex leads to several conformational changes of SRP and FtsY during the targeting cycle: first, an “early” GTP-independent state is adopted which is stabilized by the RNC, subsequently a “closed” GTP- dependent conformation is formed which can activate itself to hydrolyze GTP (the “activated” state). Faithful completion of all three steps leads to release of the cargo from SRP-FtsY and hand over of the RNC to the translocation pore.It has been shown for E. coli that cargos can be rejected from the SRP pathway during all targeting steps. In the first project, our interest concentrates on ribosomes translating the EspP signal sequence (RNCEspP). In vivo, EspP is a post-translationally targeted protein, but RNCEspP has been shown to be bound by SRP and FtsY leading to a non-productive “early”-like RNCEspP-SRP-FtsY complex. Using single particle cryo-electron microscopy (EM), we analysed the structural basis for the rejection of RNCEspP by SRP and FtsY. Comparison of our RNCEspP-SRP-FtsY cryo-EM structure to other available cryo-EM structures of co-translational targeting complexes containing the correct cargo RNCFtsQ unravelled differences in the SRP-FtsY structure between a correct cargo and an incorrect cargo. Two major differences between the targeting complexes containing the cargos RNCFtsQ and RNCEspP were observed: first, the Ffh M-domain was attached to ribosomal RNA helix 59 of RNCEspP, while it was detached from this site in the case of RNCFtsQ. It could be that such an ordered M-domain is hampering the release of the signal sequence which is required for successful completion of targeting. Second, the Ffh-FtsY NG-domain arrangement was flexible in the complex with RNCEspP in comparison to RNCFtsQ indicating that the "early"-like complex formed on RNCEspP is less stable. Biochemical data using fluorescence resonance energy transfer corroborated these results, showing that FtsY is bound with lower affinity in the RNCEspP “early” complex and that the rearrangement to the “closed” conformation is less efficient. Further biochemical analysis of EspP signal sequence variants showed that mainly the N-terminal extension of the EspP signal sequence is responsible for its rejection from the SRP pathway.


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