La conservation inattendue du métabolisme du glycogène chez les Chlamydiae souligne une fonction essentielle des polysaccharides de réserve dans leur cycle de développement

Unexpected conservation of the glycogen metabolism pathway underlines a pivotal function of storage polysaccharides in the developmental cycle of Chlamydiae

• Auteur / Autrice : Matthieu Colpaert
• Direction : Christophe Colleoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF) - Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle / UGSF
• Jury : Président / Présidente : Christophe D' Hulst
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Colleoni, Christophe D' Hulst, Agathe Subtil, Marcelo Guerin, Matthew Gentry, Gilbert Greub, Steven Ball
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agathe Subtil, Marcelo Guerin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphotransférases

Glycosyltransférases

Métabolisme

Glycogène

Variabilité génétique

Chlamydia

Mots clés libres

Voie GlgE

Voie GlgC

Chlamydia

Glycogen

Résumé

Pendant près d’un siècle, le phylum Chlamydiae n’a contenu que la famille des Chlamydiaceae, qui regroupe les agents étiologiques de sévères maladies infectieuses chez l'Homme. Aujourd'hui, quinze familles enrichissent ce phylum où se répartissent les bactéries dites Chlamydia-like ou Chlamydiae environnementales. Les Chlamydiae, bactéries intracellulaires obligatoires, se caractérisent par une réduction importante de leur génome et un cycle de vie biphasique comprenant une forme intracellulaire métaboliquement très active (le corps réticulé) et une forme extracellulaire dormante et infectieuse (le corps élémentaire). Alors que la perte du métabolisme du glycogène, est décrite comme une adaptation à la vie intracellulaire, les Chlamydiae se distinguent singulièrement des autres pathogènes intracellulaires par un maintien de la voie GlgC qui est identique à celle décrite chez Escherichia coli. Cependant des Chlamydiae environnementales semblaient déroger à cette règle. En effet, le gène glgC, codant l’activité ADP-glucose pyrophosphorylase, est absent dans les génomes d’Estrella lausannensis (famille Criblamydiaceae) et de Waddlia chondrophila (famille Waddliaceae). L’absence de cette enzyme clef laissait supposer que les souches soient, par conséquent, défectueuses dans la biosynthèse du glycogène. L’observation au microscope électronique de fines sections colorées au PATAg (coloration spécifique du glycogène) de corps élémentaires d’E. lausannensis et de W. chondrophila ont toutefois clairement réfuté cette idée reçue. Afin d’expliquer ce résultat inattendu, 220 génomes représentant la diversité des Chlamydiae ont été scrutés pour leur contenu en gènes des voies de biosynthèse du glycogène documentés chez les bactéries : la voie GlgC et la voie GlgE, récemment décrite chez Mycobacterium tuberculosis. Nous avons ainsi identifié chez E. lausannensis et W. chondrophila mais aussi chez des Chlamydiae phylogénétiquement apparentées, la voie GlgE qui repose sur quatre réactions enzymatiques permettant la synthèse du glycogène à partir du tréhalose. Une caractérisation biochimique de l’activité TreS-Mak; une enzyme bifonctionnelle qui convertit le tréhalose en maltose-1-phosphate et de l’activité GlgE; une activité maltosyltransférase responsable de la synthèse de chaînes d’α-1,4 glucanes, ont confirmé que la voie GlgE était bien fonctionnelle chez ces deux Chlamydiae environnementales. En outre, nous avons montré que, à l’instar de la glycogène synthase (GlgA) de la voie GlgC, l’activité GlgE est capable d'initier la synthèse du glycogène de novo sans l’aide d'une amorce glucanique. Enfin, des études préliminaires suggèrent que l’acétylation des résidus lysines, une modification post-traductionnelle qui intervient dans la régulation de nombreuses enzymes impliquées dans le métabolisme carboné chez les bactéries, activerait l’activité GlgE. L'ensemble de cette étude démontre que le métabolisme du glycogène est conservé chez toutes les Chlamydiae, sans exception, et ce malgré le processus de réduction du génome, soulignant ainsi une fonction essentielle, sous-estimée à ce jour, de ce polysaccharide de réserve. Nous proposons que le catabolisme du glycogène fournisse l’énergie nécessaire au maintien des fonctions métaboliques basales, qui sont indispensables à la survie et à la virulence des formes extracellulaires c’est-à-dire des corps élémentaires.

For almost a century, the Chlamydiae phylum contained only the Chlamydiaceae family, which encompasses etiological agents of severe infectious diseases in humans. Today, fifteen families have enriched this phylum in which the so-called Chlamydia-like bacteria or environmental Chlamydiae are distributed. The hallmark of all Chlamydiae is a huge genome reduction leading to an obligate intracellular lifestyle and a biphasic lifecycle including a highly metabolically active intracellular form (i.e reticulate bodies) and an extracellular (i.e. elementary body) form. While glycogen metabolism loss is viewed as an adaptation to the intracellular lifestyle, all Chlamydiae are singularly distinguished from other intracellular pathogens by the maintenance of the GlgC-pathway, which is the one described in Escherichia coli. Some environmental Chlamydiae, however seemed to deviate from this rule. Indeed, the glgC gene, encoding ADP-glucose pyrophosphorylase activity is missing in the genome of Estrella lausannensis (family Criblamydiaceae) and Waddlia chondrophila (family Waddliaceae). The lack of this key enzyme suggested that chlamydial strains are therefore defective in glycogen biosynthesis. However, electron microscopic observation of thin sections of E. lausannensis and W. chondrophila elemental bodies stained with PATAg (specific glycogen staining) clearly refuted this presumption. In order to explain this unexpected result, 220 genomes reflecting chlamydial diversity were examined for their gene content of the glycogen biosynthesis pathway reported in bacteria: the GlgC pathway and the GlgE pathway, recently evidenced in Mycobacterium tuberculosis. We thus identified in E. lausannensis and W. chondrophila but also in phylogenetically related Chlamydiae, the GlgE pathway, which is based on four enzymatic reactions enabling the synthesis of glycogen from trehalose. The enzymatic characterizations of TreS-Mak; a bifunctional enzyme that converts trehalose to maltose-1-phosphate and GlgE; a maltosyltransferase activity responsible for the synthesis of α-1,4 glucan chains, confirmed that this pathway is functional in these two environmental Chlamydiae. In addition, we show that, like glycogen synthase (GlgA) of the GlgC pathway, GlgE activity is capable of initiating de novo glycogen synthesis without the aid of a glucan primer. Finally, preliminary studies suggest that acetylation of lysine residues, a post-translational modification involved in the regulation of many enzymes of the carbon metabolism in bacteria, may activate GlgE activity. Altogether this study demonstrates that glycogen metabolism is conserved in all Chlamydiae, without exception, despite the genome reduction process, thus underlining an essential function, underestimated to date, of this storage polysaccharide. We propose that the degradation of glycogen may provide the energy required to sustain basal metabolic functions, which are essential for the survival and virulence of extracellular forms, i.e. elementary bodies.