Etude des undécaprényl-pyrophosphate phosphatases dans la biogenèse de l’enveloppe et la physiologie bactérienne

Role of membrane undecaprenyl-pyrophosphate phosphatases in bacterial cell envelope biogenesis and cell physiology

• Auteur / Autrice : Xudong Tian
• Direction : Thierry Touzé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Tissières
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Touzé, Pierre Tissières, Emmanuelle Bouveret, Marie-Pierre Chapot-Chartier, Jean-Emmanuel Hugonnet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Bouveret, Jean-Pierre Simorre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions protéine-protéine

Enzymes -- Régulation

Protéines membranaires

Biochimie

Mots clés libres

Microbiologie

Interaction

Protéine membranaire

Régulation

Physiologie

Physiology

Microbiology

Regulation

Interaction

Membrane protein

Résumé

L’enveloppe des bactéries à Gram négatif est composée de plusieurs polysaccharides dont certains, comme le peptidoglycane et les lipopolysaccharides, sont essentiels à leur survie et sont impliqués dans les interactions entre ces bactéries et leur environnement (e.g. résistance à des agents antimicrobiens et reconnaissance par le système immunitaire de l’hôte). La biosynthèse de ces polymères nécessite la translocation de leurs sous-unités à travers la membrane interne, ce qui requiert un lipide ''porteur'', l’undécaprényl phosphate (C55-P). Ce lipide est formé par la déphosphorylation de son précurseur, l’undécaprényl pyrophosphate (C55-PP), qui est lui-même généré par synthèse de novo ou par un recyclage. Chez Escherichia coli, les protéines membranaires BacA, YbjG, PgpB et LpxT présentent une activité C55-PP phosphatase et participe donc de façon redondante au recyclage du C55-P. Pour mieux comprendre le rôle physiologique spécifique de ces protéines dans la biogénèse de l’enveloppe, notre travail a porté sur l’étude des mécanismes d’action, de la fonction et de la régulation de deux de ces enzymes, PgpB et LpxT.L’activité de la protéine PgpB a été caractérisée in vivo et in vitro afin de mieux comprendre son rôle et sa capacité à participer à deux voies métaboliques essentielles, le recyclage du C55-P et la biosynthèse du phosphatidylglycérol. Nous avons mis en évidence des résidus d’acides aminés qui étaient essentiels à la catalyse des deux substrats naturels et d’autres qui n’avaient pas le même rôle dans l’hydrolyse des deux substrats, nous permettant de proposer des mécanismes différenciés. En outre, des données calorimétriques ont montré que PgpB pouvait être grandement stabilisée par la liaison d’un substrat. Hypothétiquement, le changement structural sous-jacent serait susceptible de libérer de l’énergie mobilisée pour le flip du produit à travers la membrane. La protéine LpxT est responsable d’une modification constitutive des lipopolysaccharides en transférant le phosphate libéré du C55-PP sur la partie lipide A. Dans certaines conditions de stress, l’activité de LpxT est spécifiquement inhibée par un petit peptide (PmrR) pour permettre à d’autres modifications de s’opérer. Nous avons montré que la modification catalysée par LpxT était déterminante pour permettre à E. coli de résister aux acides biliaires et de coloniser efficacement le tractus intestinal de l’hôte. LpxT constitue ainsi un point de contrôle clé chez E. coli pour résister à différent agents antimicrobiens qui ciblent les lipopolysaccharides mais qui possèdent des propriétés physico-chimiques opposées. En outre, nous avons montré que LpxT et PmrR formaient un complexe stable mais que de façon inattendue, cette liaison n’inhibait pas l’activité phosphotransférase de l’enzyme in vitro. Nous proposons que PmrR inhibe l’activité de LpxT in vivo en modifiant sa capacité à interagir avec ses partenaires de la voie de biosynthèse des lipopolysaccharides. La biogénèse des polymères de l’enveloppe est absolument nécessaire à la survie des bactéries et les modifications structurales de ces éléments sont autant de stratégies plus ou moins spécifiques qui participent au fitness et à un mode de vie particulier des bactéries. Les C55-PP phosphatases qui participent activement à ces processus constituent ainsi autant de cibles potentielles intéressantes pour la conception de nouveaux antibiotiques.

The bacterial cell envelope is composed of many polysaccharides such as the peptidoglycan and the lipopolysaccharides (LPS) that are required for survival and are involved in the interactions that the bacteria establish with their surroundings, including antimicrobial resistance and host immune system recognition. The biosynthesis of these polymers requires the translocation of the sugar sub-units across the plasma membrane, which implies an essential lipid carrier, the undecaprenyl phosphate lipid (C55-P). This lipid is generated by the dephosphorylation of its precursor, C55-PP, itself arising from either de novo synthesis or recycling. The Escherichia coli bacterial species possesses four membrane proteins (BacA, YbjG, PgpB and LpxT) exhibiting a C55-PP phosphatase activity, which all contribute redundantly to C55-P recycling. To highlight the specific physiological role of these enzymes in the cell wall biogenesis, our work was focused on the characterization of the mechanism of action, the function and the regulation of two of these phosphatases, PgpG and LpxT.The PgpB activity was characterized both in vivo and in vitro to decipher its role and ability to participate in two essential metabolic pathways, the C55-P recycling and the phosphatidylglycerol biosynthesis. We identified essential residues of PgpB involved in the hydrolysis of both natural substrates, C55-PP and PGP, and some others that function differently in the hydrolysis of these two lipids, allowing us to propose different reaction mechanisms for this enzyme. In addition, calorimetric data showed that substrate binding greatly stabilized the PgpB protein. Hypothetically, the underlying structural change would release energy allowing translocation of the lipid across the membrane. LpxT is responsible for a constitutive modification of the LPS by transferring the phosphate released from C55-PP to lipid A. Under certain environmental stresses, the LpxT activity is specifically inhibited by a small peptide (PmrR), thereby allowing other modifications of the lipid A structure to take place. We showed that the LpxT-dependent modification accounts for bile acids resistance in E. coli and is critically important for E. coli colonization in the host’s gut. LpxT constitutes a key critical control point in E. coli to resist different antimicrobial agents with opposite physical-chemical properties but which all target the LPS. In addition, we demonstrated that PmrR forms a stable complex with LpxT, but unexpectedly, this binding did not inhibit the phosphotransferase activity of the enzyme in vitro. We propose that PmrR inhibits LpxT activity in vivo by modulating its ability to interact with its protein partners that are involved in LPS biosynthesis. The biogenesis of cell wall polymers is essential for bacterial survival and structural changes in these components participate more or less specifically to the fitness and particular lifestyles of bacteria. The C55-PP phosphatases which participate actively in these processes therefore constitute interesting potential targets for new antibiotics design.