Etude structure fonction de quorum senseurs de la famille RNPP

Structure function study of quorum sensors from the RNPP family

• Auteur / Autrice : Antoine Talagas
• Direction : Sylvie Nessler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 18/10/2016
• 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 : Philippe Minard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Nessler, Pierre Legrand, Pascal Hols
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Terradot, Maëlle Molmeret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallographie

Quorum sensing

Mots clés libres

Quorum sensing

Cristallographie

Mécanisme moléculaire

NprR

ComR

Quorum sensing

Crystallography

Molecular mechanism

NprR

ComR

Résumé

Au siècle dernier, les maladies infectieuses avaient pu être endiguées dans les pays développés grâce au développement des antibiotiques. Cependant, l’apparition de bactéries résistantes aux traitements antimicrobiens remet ce problème de santé publique au premier plan. De plus, on observe l’apparition de poly-résistances de plus en plus fréquentes, notamment en milieu hospitalier, et les organisations de santé ont donc, depuis le début des années 2000, appelé à utiliser les antibiotiques avec parcimonie afin de stopper la propagation des résistances. Aujourd’hui, un effort doit être fait pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques.Une des voies envisagées consiste à cibler le système de communication appelé quorum sensing que les bactéries utilisent pour réguler de façon concertée l’expression de leurs gènes afin de s’adapter aux pressions environnementales. Le quorum sensing est basé sur l’échange de molécules signal sécrétées appelées phéromones qui sont détectées par des récepteurs transmembranaires ou cytoplasmiques appelés quorum senseurs.Chez les pathogènes à Gram positif, des phéromones peptidiques re-internalisées par les bactéries viennent réguler l’activité des quorum senseurs appelés RNPP, pour les premiers membres identifiés : Rap, NprR, PlcR et PrgX. Ces systèmes de quorum sensing régulent le changement de comportement de la population bactérienne. Ils sont impliqués dans des processus cellulaires importants tels que la sporulation, la formation de biofilm, la compétence et la virulence.Mon projet a porté sur l’analyse structure-fonction de deux des membres de la famille : NprR, du groupe Bacillus cereus, et ComR, un nouveau membre récemment identifié chez les Streptocoques. En combinant la cristallographie aux rayons X avec des approches biochimiques et génétiques, nous avons pu élucider le mécanisme moléculaire qui régule l’activité de ces deux systèmes de quorum sensing.NprR est un régulateur bifonctionnel qui, chez Bacillus thuringiensis, régule la survie de la bactérie jusqu’à la sporulation dans le cadavre des insectes infectés par cet entomopathogène. Alors que NprR agit comme régulateur transcriptionnel en présence de son peptide signal NprX, nous avons montré qu’en son absence il fixe la phosphotransférase Spo0F et agit comme inhibiteur de la sporulation.ComR régule quant à lui l’état de compétence qui permet aux streptocoques de prélever une molécule d’ADN libre dans leur environnement. Nous avons mis en évidence un mécanisme de régulation par le peptide ComS différent de celui des autres régulateurs transcriptionnels de la famille RNPP. Enfin, la spécificité du peptide pour son régulateur a également été caractérisée.Enfin, la comparaison de ces résultats avec les données structurales des autres RNPP nous a permis de mettre en évidence un mode de fixation du peptide conservé mais un mécanisme d’activation propre à chaque membre de la famille. Cette étude pose donc les bases structurales nécessaires à la mise au point rationnel d’inhibiteurs de RNPP pouvant répondre au problème de résistance aux antibiotiques dans la lutte contre la recrudescence des maladies infectieuses.

In the last century, infectious diseases had been successfully stopped in developed countries through the development of antibiotics. However, the emergence of bacteria resistant to the antimicrobial treatments brings this public health issue back at the forefront of concerns. In addition, increasing appearance of poly resistances is observed since the early 2000s, particularly in hospitals, and healthcare organizations have therefore called to a reduction of the use of antibiotics in order to stop the spread of resistances. Today, an effort should be made to the development of new therapeutic strategies.One of the approaches consists in targeting the communication system called quorum sensing used by the bacteria to regulate the expression of their genes in a concerted manner in order to adapt to their environment. Quorum sensing is based on the exchange of secreted signaling molecules called pheromones, which are detected by transmembrane or cytoplasmic receptors called quorum sensors.In pathogenic Gram positive bacteria, peptidic pheromones re-internalized by bacteria regulate the activity of quorum sensors called RNPP for the first identified members: Rap, NprR, PlcR and PrgX. These quorum sensing systems regulate behavior changes in the bacterial population. They are involved in important cellular processes such as sporulation, biofilm formation, competence and virulence.My project focused on the structure-function analysis of two members of the RNPP family: NprR, from the Bacillus cereus group, and ComR, a new member recently identified in Streptococci. By combining X-ray crystallography with biochemical and genetic approaches, we were able to elucidate the molecular mechanism that regulates the activity of these two quorum sensing systems.NprR is a bifunctional regulator which, in Bacillus thuringiensis, regulates the survival of the bacteria until sporulation in the cadaver of insects infected by this entomopathogene. While NprR acts as a transcriptional regulator in the presence of its peptide signal NprX, we showed that in its absence, NprR binds to the phosphotransferase Spo0F and acts as inhibitor of sporulation.ComR regulates the competence state that allows Streptococci to uptake free DNA molecules in their environment. We showed that the regulatory mechanism of its cognate peptide ComS is different from other transcriptional regulators of the RNPP family. The specificity of the peptide for its regulator was also characterized.Finally, a comparison of these results with the structural data of other RNPP allowed us to demonstrate a conserved peptide binding mode but an activation mechanism specific to each family member. This study thus brings the structural basis for the future rational design of RNPP inhibitors which may help respond to the antibiotic resistance problem in the fight against the resurgence of infectious diseases.