Mécanisme moléculaire d'une nouvelle famille de systèmes toxine-antitoxine avec des toxines de type nucléotidyltransférase (NTase) conservées chez Mycobacterium tuberculosis

Molecular mechanism of a new family of Toxin-Antitoxin systems with conserved nucleotidyltransferase (NTase)-like toxins in Mycobacterium tuberculosis

• Auteur / Autrice : Yiming Cai
• Direction : Pierre Genevaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de microbiologie et de génétique moléculaires (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléotidyltransférases

Systèmes toxines-antitoxines

Mycobacterium tuberculosis

Mots clés libres

Mycobacterium tuberculosis

Systèmes toxine-antitoxine

Nucléotidyltransférase

Mécanisme moléculaire

Mycobacterium tuberculosis

Toxin-Antitoxin systems

Nucleotidyltransferase

Molecular mechanism

Résumé

Les systèmes Toxine-Antitoxine (TA) sont de petits modules génétiques organisés en opéron, et composés d'une toxine et d'une antitoxine antagoniste qui inhibe l'activité de la toxine ou son expression. Les systèmes TA sont des éléments sensibles au stress dont les fonctions cellulaires restent largement inconnues. Notre travail se concentre sur l'identification des cibles cellulaires et la découverte du mécanisme des systèmes TA de type nucléotidyltransférase (NTase) chez l'agent pathogène humain Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis). Dans ce travail de thèse, nous avons étudié les quatre toxines de type NTase de la famille DUF1814 (MenT1-4) codées par M. tuberculosis. Nous avons montré que les toxines MenT1, MenT3 et MenT4 inhibaient la croissance bactérienne, lorsqu'elle ne sont pas antagonisées par leur antitoxine apparentée, c'est-à-dire MenA1, MenA3, et MenA4. Avec nos collaborateurs, nous avons résolu les structures des toxines MenT3 et MenT4 à une résolution de 1,6 Å et 1,2 Å, respectivement, et identifié l'activité biochimique et la cible de MenT3. MenT3 bloque la synthèse protéique in vitro et empêche l'aminoacylation d'ARNt in vivo. MenT3 ajoute des pyrimidines (C ou U) à l'extrémité acceptrice 3'-CCA des ARNt non chargés, et a montré une forte spécificité de substrat in vitro, ciblant préférentiellement l'ARNtSer parmi les 45 ARNt present chez M. tuberculosis. Ainsi, la toxine MenT3 pourrait fonctionner comme une ARNt NTase qui bloque la traduction par un mécanisme non décrit précédemment impliquant l'inactivation des ARNt sérine. En conclusion, nos travaux identifient un mécanisme jusque-là inconnu qui élargit la gamme des activités enzymatiques utilisées par les toxines bactériennes, découvrant une nouvelle façon de bloquer la synthèse des protéines.

Toxin-antitoxin (TA) systems are small genetic modules organized in operon and composed of a protein toxin and an antagonistic antitoxin, which can inhibit toxin activity or its expression. TA systems are widespread stress-responsive elements, many of whose cellular functions remain largely unknown. Our work focuses on identifying the cellular targets and discovering the mechanism of nucleotidyltransferase (NTase)-like family TA systems in the human pathogen, Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis). In this thesis work, we have investigated the four DUF1814-family NTase-like toxins (MenT1-4) encoded by M. tuberculosis. Toxins MenT1, MenT3 and MenT4 inhibited bacterial growth and were blocked by their cognate antitoxins, MenA1, MenA3, and MenA4. With our collaborators, we have solved the structures of toxins MenT3 and MenT4 to 1.6 Å and 1.2 Å resolution, respectively, and identified the biochemical activity and target of MenT3. MenT3 blocked in vitro protein expression and prevented tRNA charging in vivo. MenT3 added pyrimidines (C or U) to the 3'-CCA acceptor stems of uncharged tRNAs and exhibited strong substrate specificity in vitro, preferentially targeting tRNASer from amongst the 45 M. tuberculosis tRNAs. Thus, the toxin MenT3 could function as a tRNA NTase that blocks translation through a previously undescribed mechanism involving inactivation of serine tRNAs. In conclusion, our work identifies a previously unknown mechanism that expands the range of enzymatic activities employed by bacterial toxins, uncovering a new way to block protein synthesis.