Mécanisme moléculaire des systèmes toxine-antitoxines de M. tuberculosis

Molecular mechanism of toxin-antitoxin systems in M. tuberculosis

• Auteur / Autrice : Moïse Mansour
• Direction : Pierre Genevaux, Marie-Françoise Prère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes toxines-antitoxines

Mycobacterium tuberculosis

Mots clés libres

Mycobacterium tuberculosis

Toxine-antitoxines

Persistance

Ribosome dépendent RNase

NEMOTE

Mycobacterium tuberculosis

Toxin-antitoxins

Persistence

Ribosome dependent RNase

NEMOTE

Résumé

Les systèmes de toxines-antitoxines (TA) bactériens de type II sont des éléments sensibles au stress composés d'une toxine et d’une antitoxine capable d’inhiber l’action de la toxine. Les deux partenaires sont présents sur le même opéron qui est généralement autorégulé par l'antitoxine et/ou le complexe toxine-antitoxine. Sous certaines conditions de stress, l'antitoxine est dégradée par les protéases et la toxine active peut alors cibler certains processus cellulaires importants, comme la réplication de l'ADN, la synthèse de la paroi, la division cellulaire ou la traduction, entraînant ainsi l'inhibition de la croissance et éventuellement la mort cellulaire. Il a été montré qu'un tel contrôle de la croissance, TA-dépendant, facilite l'adaptation bactérienne à certains stress et serait impliqué dans des phénomènes de multi-tolérance aux antibiotiques. La tuberculose est l’une des maladies les plus meurtrières due à un seul pathogène bactérien, à savoir M. tuberculosis. Outre la synergie avec le virus de l'immunodéficience humaine (VIH) et l'émergence de souches multi-résistantes, l'une des limites à l'éradication de la tuberculose est sa capacité à persister dans les poumons humains en état de dormance, tolérante au système immunitaire de l'hôte et aux traitements antibiotiques. L'existence d'une sous-population de bactéries persistantes dans la forme active de la maladie serait également responsable, au moins en partie, de la durée exceptionnellement longue du traitement antituberculeux. M. tuberculosis possède un nombre remarquablement élevé de systèmes TA (plus de 80) par rapport à d'autres mycobactéries et il a été proposé que la persistance induite par les toxines activées pourrait contribuer à son pouvoir pathogène. Dans ce travail, J’étudie les cibles cellulaires à l’échelle du génome entier, de toxines ribonucléases dont l’activité est dépendante du ribosome chez M. tuberculosis. Je me suis concentré sur l'identification des cibles cellulaires et de la préférence de clivage de substrats de six toxines de la famille des RelE ribosome-dépendantes chez M. tuberculosis, à savoir RelE1, RelE2, YoeB, HigB1, HigB2 et HigB3. Pour atteindre cet objectif, j'ai utilisé une approche nommée nEMOTE (Non-phosphorylated Exact Mapping Of Transcriptome Ends) afin d'identifier tout d'abord les sites de clivages des toxines et les cibles à l'échelle du génome chez M. Smegmatis sauvage et chez un mutant qui ne code pas pour RNases J, ceci afin de minimiser le clivage des cibles de ces toxines par cette RNase endogène. Des analyses in vitro ont ensuite été effectuées sur deux de ces toxines, à savoir HigB1 et YoeB, et dans une moindre mesure, HigB2 et HigB3, afin de confirmer et d'étendre les données obtenues in vivo par nEMOTE.

Bacterial type-II toxin-antitoxin (TA) systems are stress-responsive elements composed of a stable toxin that forms an inactive complex with its less stable cognate antitoxin. Both partners are encoded within an operon that is generally auto regulated. Under certain stress conditions, the antitoxin is degraded by proteases and the free active toxin subsequently targets important cellular processes, including DNA replication, cell wall synthesis, cell division or translation, thus leading to growth inhibition and eventually cell death. It has been shown that such a TA-dependent growth control facilitates bacterial adaptation to stress and multi-drug tolerance. Tuberculosis is one of the deadliest diseases due to a single bacterial pathogen, namely M. tuberculosis. Besides the synergy with the human immunodeficiency virus (HIV) and the emergence of multi and extensively drug resistant strains, one of the limitations to tuberculosis eradication is its ability to persist in human lungs in a dormant state, which is tolerant to the host immune system and to antibiotic treatments. The existence of a persistent subpopulation in the active form of the disease is also believed to be responsible, at least in part, for the exceptionally long duration of the anti-tubercular treatment. M. tuberculosis possesses a remarkably high number of TA systems (over than 80) in its chromosome when compared to other mycobacteria, and it has been proposed that persistence induced by active toxins could contribute to its pathogenesis. In this work I investigate the cellular targets of ribosome-dependent RNase toxins of M. tuberculosis on a genome-wide scale. I have focused on identifying the cellular targets and the substrate preference of the six ribosome-dependent RelE-like toxins of M. tuberculosis, namely RelE1, RelE2, YoeB, HigB1, HigB2 and HigB3. To reach this goal, I have used a genome-wide nEMOTE (Non-phosphorylated Exact Mapping Of Transcriptome Ends) to first identify toxin cleavage sites in M. smegmatis WT and in its mutant derivative that does not encode RNases J in order to minimize subsequent cleavages of toxin targets by this endogenous RNase. Follow up in vitro analyzes were then performed on two of these toxins, namely HigB1 and YoeB, and to a lesser extent HigB2 and HigB3 to confirm and further extend the data obtained in vivo by nEMOTE.