Stress cuivre, impact sur l'homéostasie des protéines et rôle des protéines chaperons chez Escherichia coli

Copper stress, impact on protein homeostasis and role of molecular chaperones in Escherichia coli

• Auteur / Autrice : Nora Lahrach
• Direction : Marianne Ilbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 07/06/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la vie et de la santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (Marseille ; 2012-....) - Agence nationale de la recherche (France ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Arnoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Ilbert, Carmen Garrido, Soufian Ouchane, Agnès Rodrigue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carmen Garrido, Soufian Ouchane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régulation cellulaire

Complexes de cuivre

Molécules chaperonnes

Bactéries

Cuivre

Mots clés libres

Cuivre

Bactérie

Protéines chaperons

Résistance

Complexes de cuivre

Copper

Bacteria

Chaperone protein

Resistance

Copper complexes

Résumé

Le cuivre est un ion métallique essentiel, participant à de nombreux processus cellulaires. Néanmoins, si sa concentration intracellulaire n'est pas régulée, le cuivre devient alors toxique. Cette toxicité est mise à profit dans de nombreux domaines biotechnologiques et médicaux. Les mécanismes cellulaires de toxicité du cuivre chez Escherichia coli reposeraient sur sa capacité à participer à la réaction de Fenton générant des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et à impacter les clusters Fe-S par mis-métallation. Lors de mes travaux de thèse, j'ai pu démontrer que le cuivre induit également l'agrégation des protéines par un processus indépendant des ROS. En conduisant des expériences en condition aérobie et anaérobie, nous avons prouvé qu'en absence d'oxygène, le cuivre s'accumulait dans les cellules, probablement sous sa forme Cu+, ou complexé au GSH, et entraînait l'agrégation massive des protéines in vivo. Cette augmentation de protéines agrégées perturbe l'homéostasie des protéines, plus communément appelée protéostasie. Dans la continuité de ces travaux, l'implication de chaperons moléculaires tels que DnaK et le Trigger Factor, dans la survie d'E. coli en présence d'un excès de cuivre a été démontrée. Ce résultat confirme l'impact du cuivre sur la protéostasie, phénomène qui expliquerait la forte toxicité du cuivre en anaérobie. Mes travaux mettent également en évidence des stratégies de défenses bactériennes mises en place pour permettre la survie bactérienne.D'autre part, ces travaux sur le cuivre ont été élargis aux complexes de cuivre, qui apparaissent comme de puissants agents antibactériens. Ces derniers sont composés d'un ligand, tel que le Dp44mT ou le GTSM, qui en liant les ions Cu2+, forment les complexes Dp44mT:Cu2+ et GTSM :Cu2+. J'ai pu démontrer que ces complexes étaient actifs à des doses largement inférieures aux doses utilisées pour le Cu seul. Leur mécanisme d'action reposerait principalement sur leur capacité à traverser les barrières membranaires et à agir comme ionophores, le cuivre étant libéré dans le cytoplasme bactérien par compétition avec les composants intracellulaires. Nos travaux n'ont pas permis d'observer d'activité redox in vivo de ces composés dans les conditions testées. Ils ont fourni une meilleure compréhension des mécanismes de toxicité de ces composés. Les complexes de cuivre ouvrent des perspectives thérapeutiques à long terme mais qui nécessitent une meilleure compréhension de leur mécanisme d'action afin de pouvoir optimiser leur fonctionnement et améliorer leur spécificité d'action.

Copper is an essential metal ion, involved in various cellular processes. However, if the intracellular copper concentration is not tightly controlled, copper can rapidly become toxic. This toxicity is exploited in many biotechnological and medical fields. The cellular mechanisms of copper toxicity in Escherichia coli are explained by its ability to participate to the Fenton reaction, generating reactive oxygen species (ROS) and to impact Fe-S clusters by mis-metalation. During my thesis, I was able to show that copper also induces protein aggregation in a ROS-independent manner. By setting experiments in aerobic and anaerobic conditions, we proved that in absence of oxygen, copper accumulates in the cells, probably in its Cu+ form, or complexed with GSH, and leads to massive protein aggregation in vivo. This copper increase disrupts protein homeostasis, more commonly known as proteostasis. We further demonstrated the implication of molecular chaperones such as DnaK and Trigger Factor, in the survival of E. coli in the presence of copper excess. This result confirms the impact of copper on proteostasis, a phenomenon that would explain the high toxicity of copper under anaerobic conditions. My work provided a better understanding of the mechanisms of copper toxicity and the bacterial defense strategies put in place against copper damages.Afterwards, my work on copper has been extended to copper complexes, which appear to be powerful antibacterial agents. Copper complexes such as Dp44mT:Cu2+ and GTSM:Cu2+ complexes corresponds to a ligand, Dp44mT or GTSM, and their binding to Cu2+ ions. I showed that these complexes were efficient to prevent E. coli growth at lower doses than copper sulfate. Their mechanism of action is mainly explained by their ability to cross membrane barriers and to act as ionophores, copper is released into the bacterial cytoplasm and interferes with intracellular pathways. Our work did not allow us to observe any in vivo redox activity of these compounds under the conditions tested. Copper complexes open-up long-term therapeutic prospects, but they require a better understanding of their mechanism of action in order to optimize their impact and to improve their specificity of action.