Etude structurale d’un switch moléculaire impliqué dans le quorum sensing chez Bacillus cereus

Structural study of a molecular switch implicated in quorum sensing in Bacillus cereus

• Auteur / Autrice : Samira Zouhir
• Direction : Sylvie Nessler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie, biophysique
• Date : Soutenance le 14/09/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Innovation Thérapeutique : du Fondamental à l'Appliqué (Châtenay-Malabry, Haut-de-Seine ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Enzymologie et Biochimie Structurales (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 19..-2015) - Laboratoire d'Enzymologie et Biochimie Structurales
• Jury : Président / Présidente : Philippe Minard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Nessler, Philippe Minard, Andréa Dessen, Véronique Monnet, Beatriz Guimaraez, Herman Van Tilbeurgh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andréa Dessen, Véronique Monnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quorum sensing

Protéines bactériennes

Cristallographie

Mots clés libres

Bacillus cereus

Quorum sensing

Sporulation

Facteur de transcription

Peptide de signalisation

Switch moléculaire

Oligomérisation

Cristallographie

SAXS

Bacillus cereus

Quorum sensing

Sporulation

Transcription factor

Signaling peptide

Molecular switch

Oligomerisation

Crystallography

SAXS

Résumé

Les bactéries utilisent un mode de communication appelé quorum sensing pour régulerl’expression des gènes en fonction de la densité de population et contrôler ainsi de façonmulticellulaire des processus tels que la sporulation, la compétence ou la virulence. Chez les bactériesà Gram-positif, le quorum sensing repose principalement sur la production, la sécrétion et la détectionde petits peptides de signalisation.Le projet porte sur l’étude du système quorum sensing: NprR/NprX chez Bacillus cereus, oùNprR est l’effecteur qui reconnait spécifiquement le peptide de signalisation NprX. NprR est uneprotéine bi-fonctionnelle. Seule, elle agit en tant qu’inhibiteur de la sporulation, en complexe avecNprX, elle perd sa fonction initiale au profit d’une activité facteur de transcription impliquée dans lavirulence. NprR appartient à une famille d’effecteurs de quorum sensing appelée RNPP (Rap, NprR,PlcR et PrgX) encore mal caractérisée au niveau structural. Mon projet de thèse a consisté en l’analysestructure-fonction du système NprR/NprX.Pour comprendre la régulation fonctionnelle de NprR par NprX, des études en solution (SECMALSet DLS) ont permis de mettre en évidence un switch moléculaire qui repose sur un changementd’oligomérisation. Ainsi NprX fait basculer NprR d’une conformation Apo dimérique à uneconformation compléxée tétramérique.L’étude structurale par cristallographie a aboutit à la résolution de la structure du complexeNprR/NprX. L’analyse de ce tétramère suggère la reconnaissance de 2 sites distincts sur l’ADN.L’étude structurale par SAXS, a quant à elle, permis de proposer une conformation dimérique de laforme Apo NprR, modèle conforté grâce à une étude par mutagénèse dirigée des résidus d’interface. Ils’agit d’un mode de dimérisation semblable à celui des protéines Rap (membres de la famille RNPP).La caractérisation par ITC de l’interaction NprR/NprX avec différentes formes du peptide,ainsi que l’analyse de la poche de fixation du complexe, ont permis de mieux comprendre la spécificitéd’interaction et de mettre en évidence deux résidus clés de l’effecteur : l’Asn275 essentielle à lafixation du peptide et l’Arg 126 essentielle à l’activation de la fonction facteur de transcription.Ces travaux ont contribué à une meilleure compréhension du système quorum sensingNprR/NprX grâce à l’élucidation du switch moléculaire contrôlé par NprX mais aussi à une meilleureconnaissance de la famille d’effecteurs RNPP.

Bacteria use a communication mode named quorum sensing to regulate gene expression depending on the population density and thus to control processes such as sporulation, competence or virulence in a multicellular manner. In Gram-positive bacteria, the quorum sensing relies mostly on the production, the secretion and the detection of small signaling peptides. The project focuses on the study of the quorum sensing system NprR/NprX in Bacillus cereus, where NprR is the effector, which recognizes specifically the signaling peptide NprX. NprR is a bi-functional protein. In the absence of peptide, it acts as a sporulation inhibitor while in complex with NprX, it acts as transcription factor implicated in virulence. NprR belongs to a family of quorum sensing effectors named RNPP (for the first identified members: Rap, NprR, PlcR and PrgX) still not well characterized at a structural level. My PhD project consisted to perform the structure/function analysis of the NprR/NprX system. To understand the functional regulation of NprR by NprX, I carried out different studies in solution (SEC-MALS and DLS). These results allowed me to highlight a molecular switch based on a changing of the oligomerisation state of the protein. NprX binding switches NprR from an Apo dimeric conformation to a tetrameric complex. The structural study by crystallography led to the resolution of the tetrameric NprR/NprX complex structure. The analysis of this tetramer suggests the recognition of 2 DNA binding sites. The structural study of the dimeric conformation of Apo NprR by SAXS, allowed me to propose a model similar to that of the Rap dimers (members of RNPP family). This model is supported by a directed mutagenesis study of interface residues. The characterization by ITC of the NprR/NprX interaction with different forms of the peptide, as well as the analysis of the binding pocket in the complex, led to a better understanding of the specificity of the interaction. Two key residues of the effector were highlighted: Asn275, essential to peptide binding and Arg126, essential to the activation of the transcription factor function. These results have contributed to a better understanding of the NprR/NprX quorum sensing system thanks to the elucidation of the molecular switch controlled by NprX but also in a better knowledge of the RNPP effectors family.