Le système FAS-II mycobactérien : exploration de méthodes pour sa purification et sa caractérisation

The FASII mycobacterial system : exploration of methods for its purification and its caracterization

• Auteur / Autrice : Richard Boulon
• Direction : Annaïk Quémard, Fabienne Bardou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et fonctionnelle
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéomique

Mycobacterium tuberculosis

Mots clés libres

Complexe purification

Protéomique

Purification du système protéique

Mycobactérie

Mycobacterium tuberculosis

Fatty acid synthase

Pull-down

Proteomic

Résumé

Au niveau mondial, la tuberculose est toujours l’une des dix premières causes de mortalité. L’un des principaux facteurs expliquant ce phénomène est l'émergence de souches du bacille tuberculeux, Mycobacterium tuberculosis, résistantes aux antibiotiques. Ainsi, l’OMS a déclaré prioritaire le développement d'une nouvelle génération d’antituberculeux qui soient efficaces contre les souches résistantes. Des études de criblage phénotypique récentes sur M. tuberculosis ont montré que des voies métaboliques de composés de l’enveloppe, telles que la biosynthèse des acides mycoliques, représentent des cibles thérapeutiques très pertinentes. Les acides mycoliques entrent dans la composition de facteurs de pathogénicité lipidiques du bacille tuberculeux. Ils portent divers types de fonctions chimiques déterminantes pour leurs rôles biologiques. Le système Fatty Acid Synthase de type II (FAS-II) impliqué dans leur biosynthèse constitue une cible thérapeutique validée. En effet, il est essentiel à la survie du bacille, possède des caractéristiques uniques, et a un rôle-clé dans sa virulence et sa persistance chez les organismes infectés. De plus, le système FAS-II est la cible de plusieurs médicaments antituberculeux tels que l’isoniazide et l’éthionamide. FAS-II est constitué d'un ensemble d'enzymes monofonctionnelles acyl carrier protein (ACP)-dépendantes. Une partie de ces protéines a été identifiée par des approches de génomique classique. Malgré cela, 20 ans après le séquençage du génome de M. tuberculosis, la composition complète de ce système ainsi que sa fonction précise restent encore à caractériser. L’objectif des travaux de recherche menés durant ma thèse est de caractériser le système FAS-II mycobactérien selon un nouvel angle d'attaque, à l'échelle du système entier. L'approche adoptée visait à i) développer et valider des méthodes expérimentales pour isoler le système FAS-II sous une forme la plus complète possible, ii) décrypter en profondeur la composition en protéines de FAS-II (collaboration équipe O. Schiltz, IPBS) ; iii) identifier de nouvelles enzymes partenaires potentielles. La 1ère partie de ce travail a consisté à mettre au point l'isolement du système FAS-II de deux mycobactéries, M. smegmatis, une espèce-modèle à croissance rapide, et M. bovis BCG, la souche vaccinale très proche de M. tuberculosis. Deux stratégies complémentaires ont été développées : la co-immunoprécipitation et la Single Step Affinity Purification (SSAP). Plusieurs enzymes du système FAS-II ont été utilisées alternativement comme appâts pour co-purifier des protéines partenaires. De nombreux paramètres ont été optimisés afin d'améliorer le taux d'enrichissement en FAS-II et de conserver le plus possible l’intégrité du système : nature de la protéine-appât, délétion du gène endogène (SSAP), conditions de lyse des bactéries, pontage chimique, étapes de purification... La 2ème partie de ma thèse a porté sur l'analyse par protéomique des fractions de purification obtenues et la 3ème partie a consisté à identifier de nouvelles enzymes partenaires. Le traitement des données a permis 1) de mettre en évidence des interactions physiques entre certaines enzymes du système FAS-II ; 2) de démontrer la présence d’une nouvelle enzyme partenaire du système : cette protéine, nommée HadD, est potentiellement impliquée dans l’une des étapes-clés de la biosynthèse des acides mycoliques nécessaire pour l’introduction des groupements fonctionnels sur ces lipides.

Globally, tuberculosis is still one of the top ten leading causes of death. In 2015, the World Health Organization (WHO) reported nearly 480,000 new cases of multidrug-resistant tuberculosis and called for the development of new antituberculosis agents. Recent phenotypic screening studies on Mycobacterium tuberculosis have shown that envelope metabolic pathways, such as mycolic acid biosynthesis, are highly relevant therapeutic targets. Mycolic acids constitute the lipid moiety of pathogenicity factors of the tubercle bacillus. They are essential mycobacterial fatty acids holding various chemical functions decisive for their biological roles. The Fatty Acid Synthase type II (FAS-II) system involved in their biosynthesis is a relevant and validated therapeutic target. Indeed, it is essential to the survival of the bacillus, has unique features, and plays a key role in its virulence and persistence in infected organisms. In addition, the FAS-II system is the target of several antituberculosis drugs such as isoniazid and ethionamide. FAS-II is made of discrete monofunctional acyl carrier protein (ACP)-dependent proteins. Some of these proteins have been identified by conventional genomic approaches. However, 20 years after the M. tuberculosis genome sequencing, the complete composition of this system and its precise function remain poorly known. The objective of my PhD project is to characterize the mycobacterial FAS-II multienzyme system with a completely new line of attack, at the scale of the entire system. The adopted approach was aimed at i) developing and validating experimental methods to isolate the FAS-II system in the most complete form, ii) deciphering the FAS-II protein composition (collaboration with O. Schiltz's team, IPBS); iii) identifying potential new partner enzymes. The first part of this work consisted of developing the isolation of the FAS-II system from two mycobacteria, M. smegmatis, a fast-growing model species, and M. bovis BCG, the vaccine strain very close to M. tuberculosis. Two complementary strategies were developed: co-immunoprecipitation and Single Step Affinity Purification (SSAP). Several enzymes of the FAS-II system were used alternatively as a bait in an attempt to co-purify partner proteins. To improve the level of FAS-II enrichment and to preserve as much as possible the integrity of the system, many parameters were optimized: nature of the bait protein, endogenous gene deletion (SSAP), bacteria lysis conditions, chemical cross-link, purification steps… The second part of my thesis focused on the proteomics analysis of the purification fractions obtained and the third part consisted in identifying new partner enzymes. The data processing allowed: 1) to demonstrate the presence of physical interactions between some FAS-II system enzymes; 2) to demonstrate the presence of a new partner enzyme of the system: this protein, called HadD, is potentially involved in one of the key steps of the mycolic acid biosynthesis pathway necessary for the introduction of functional groups on these lipids. The results obtained thanks to the optimized co-immunoprecipitation and SSAP protocols have contributed to the knowledge of the mycobacterial FAS-II system and bring promising leads for the discovery of new partner enzymes.