Bases moléculaires de l'adaptation du protéome à haute pression dans les Archées extrémophiles

Molecular bases of proteome adaptation to high pressure in extremophilic Archaea

• Auteur / Autrice : Antonino Caliò
• Direction : Philippe Oger, Judith Peters
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie, adaptation et pathogénie (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Céline Brochier-Armanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Heloisa Nunes Bordallo, Hans Robert Kalbitzer, Eric Girard, Nathalie Colloc'h
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Heloisa Nunes Bordallo, Hans Robert Kalbitzer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adaptation (biologie)

Thermococcales

Milieux extrêmes

Aspect moléculaire

Microorganismes des milieux extrêmes

Mots clés libres

Adaptation à la haute pression

Archées

Diffusion neutronique

Spectroscopie RMN

Crystallographie à rayons X

Dynamique moléculaire

Biophysique

Adaptation to High-Pressure

Archaea

Neutron scattering

NMR Spectroscopy

Biophysics

X-Ray crystallography

Molecular dynamics

Résumé

Les environnements extrêmes sont vastes et très répandus sur notre planète. Ils abritent une myriade de formes de vie adaptées. Par exemple, les habitats à Haute Pression Hydrostatique (HPH) englobent près de 60% de la surface de la Terre, alors que l'on retrouve des sources hydrothermales du fond du plus profond océan jusqu'aux hauteurs des montagnes. Comprendre comment les organismes extrémophiles se sont adaptés à ces conditions de vie est une question d'intérêt fondamental indéniable. C'est aussi une question pertinente lorsque l'on considère les origines de la vie sur Terre sachant que les sources hydrothermales des océans profonds, où sont présentes haute température et haute pression, ont été proposées comme le lieu possible de l'origine de la vie terrestre, à proximité d'une source d'énergie et à l'abri des radiations nocives émises par le jeune soleil. Cependant, jusqu'à aujourd'hui, les stratégies d'adaptation adoptées par les organismes adaptés aux HPH (piézophiles) restent encore méconnues. Les protéines sont la machinerie des cellules, et il faut que leur fonction soit maintenue optimale sous HPH afin que l'organisme survive. Bien que des études génomiques aient été tentées pour trouver un modèle général d'adaptation des protéines aux conditions de HPH, elles n'ont pas identifié de motif de substitution associé à l'adaptation à la HPH, alors que dans le même temps, les études sur les cellules entières ont prouvé l'existence d'une telle adaptation au niveau du protéome global. C'est pourquoi j'ai entrepris d'étudier des protéines orthologues isolées de deux Archées hyperthermophiles quasi-isogéniques, Thermococcus barophilus et Thermococcus kodakarensis, appartenant à l'ordre des Thermococcales, afin de mettre en évidence les bases physiques de l'adaptation à la HPH. Le choix de ces deux organismes, qui ne diffèrent que par leur pression de croissance optimale, garantit que les différences constatées sont liées à leur différence d'adaptation à la HPH. J’ai utilisé la diffusion neutronique, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, la cristallographie à rayons X et les simulations de dynamique moléculaire pour effectuer une caractérisation structurelle et dynamique approfondie des Phosphomannose Isomérases et des protéines ribosomales S24e de ces deux organismes. Nos résultats montrent que les substitutions conservatives utilisant des résidus plus encombrants à des endroits clés du cœur hydrophobe améliorent considérablement la stabilité structurelle et dynamique des protéines piézophiles, sans affecter leur voie de repliement. De plus, une disposition différente de leurs résidus polaires et chargés à la surface entraîne une interaction réduite avec l'eau d'hydratation, ce qui leur permet de conserver leur flexibilité sous pression. Ces résultats sont en accord avec les études précédentes sur les cellules entières, et les développent de manière très détaillée, en identifiant la stratégie d'adaptation au niveau moléculaire. Cela constituera la base sur laquelle un modèle expliquant l'adaptation à la HPH au niveau génomique pourra être construit.

Extreme environments are widespread and common on our planet, and they host a myriad of adapted life forms. For example, High Hydrostatic Pressure (HHP) habitats encompass almost 60% of Earth’s surface, while hydrothermal springs and vents can be found from the deepest oceans to high in the mountains. Understanding how organisms adapted to the extremes are able to thrive in these conditions is a fundamentally interesting question. It is also pertinent to understanding how life appeared on Earth since it has been proposed that life may have originated near deep-sea hydrothermal vents, where both high temperature and high pressure are present concomitantly, close to an energy source and shielded from the harmful radiation emitted by the young sun. However, to date, the adaptive strategies employed by high hydrostatic pressure-adapted microorganisms (piezophiles) are still elusive. Proteins are the machinery of cells, and their optimal function must be retained under HHP by piezophiles in order to survive. While genomic studies have previously attempted to find a general HHP adaptation strategy for proteins, they were not successful in identifying a clear amino-acid substitution pattern associated with it, while whole-cells molecular dynamics studies demonstrated, on the average behaviour of the proteome, that a difference in dynamics was associated with HHP adaptation. Thus, I set out to study orthologous proteins from Thermococcus barophilus and Thermococcus kodakarensis, two nearly isogenic hyperthermophilic Archaea belonging to the order of Thermococcales, to identify the physico-chemical basis of the adaptation at the atomic scale. The choice of these two organisms, differing only for their optimal growth pressure, guarantees that the differences identified are related to their difference in HHP adaptation. I employed neutron scattering, nuclear magnetic resonance spectroscopy, X-ray crystallography and molecular dynamics simulations to perform a thorough structural and dynamical characterization of the Phosphomannose Isomerases and the ribosomal protein S24e from these two organisms. Our results show that conservative substitutions using bulkier residues in key locations of the hydrophobic core greatly enhance the structural and dynamical stability of the piezophilic proteins, without affecting their folding pathway. Moreover, a different arrangement of their polar and charged residues on the surface brings about a reduced interaction with hydration water, enabling them to maintain their flexibility under pressure. These findings are in line with the previous studies on whole-cells, and expand them in great detail, identifying the adaptation strategy at the molecular level. This will constitute the foundation upon which a model explaining HHP adaptation at the genomic level can be built.