Rôle des activateurs transcriptionnels bactériens dans la résistance aux antibiotiques

Role of the bacterial transcriptional activators in antibiotic resistance

• Auteur / Autrice : Ondine Duverger
• Direction : Konstantin Brodolin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 22/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRIM - Institut de Recherche en Infectiologie de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Enzymes bactériennes de résistance aux antibiotiques
• Jury : Président / Présidente : Corinne Lionne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Konstantin Brodolin, Yulia Yuzenkova, Bianca Sclavi, Albert Weixlbaumer, Marc Boudvillain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yulia Yuzenkova, Bianca Sclavi

Mots clés

Mots clés libres

Régulation des gènes

Tuberculose

Resistance aux antibiotiques

L'ARN polymérase

Facteur sigma

Fidaxomicine

Gene regulation

Tuberculosis

Antibiotic resistance

RNA polymerase

Sigma factor

Fidaxomicin

Résumé

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), l'agent responsable de la tuberculose, constitue une menace majeure pour la santé publique, causant plusieurs millions de décès chaque année à travers le monde. La résistance aux antibiotiques aggrave ce problème et nécessite le développement de nouveaux traitements basés sur une compréhension approfondie des mécanismes moléculaires de résistance. La fidaxomicine (Fdx) est un antibiotique ciblant l’ARN polymérase bactérienne (ARNP), actuellement utilisée en clinique contre les infections à Clostridioides difficile, et qui montre une activité prometteuse contre les souches de Mtb résistantes à la rifampicine. Des études antérieures ont révélé que différents facteurs σ de l’ARNP d’Escherichia coli module l’activité de la Fdx sur l’ARNP, bien que les mécanismes restent inconnus. Le premier objectif de ce projet a donc été de déterminer si les sous-unités σ alternatives de Mtb, ainsi que l’activateur essentiel RbpA, influencent l’activité de la Fdx et d’en élucider les mécanismes sous-jacents. Nos résultats montrent que l’association de σH à l’ARNP de Mtb, un facteur alternatif exprimé en réponse au stress oxydatif et au choc thermique, induit une résistance à la Fdx, tandis que l’activateur RbpA augmente la sensibilité de l’ARNP à cet antibiotique. Pour explorer les mécanismes moléculaires par lesquels ces facteurs transcriptionnels modulent l'activité de la Fdx, nous avons mené des simulations de dynamique moléculaire et des études biochimiques qui mettent en évidence le rôle important de la région 3.2 du facteur σ. La résolution de la structure par cryomicroscopie électronique (cryo-EM) de l’ARNP en complexe avec le facteur alternatif σ, impliqué dans la réponse au stress, et la Fdx, révèle des similitudes avec les structures précédemment décrites de l’ARNP associé au facteur σ primaire et Fdx. L’analyse structurale suggère que la Fdx bloque l'ARNP dans une conformation intermédiaire d’isomérisation lors de l'initiation transcriptionnelle, avant l'ouverture complète de l'ADN, en restreignant les mouvements de la pince de l'ARNP. Enfin, l'efficacité de nouveaux analogues visant à améliorer les propriétés physicochimiques de la Fdx a été testée. Ces essais démontrent que la substitution de certains résidus de la Fdx est une approche prometteuse pour le développement de nouvelles molécules antibactériennes contre la tuberculose. Ces études apportent des informations essentielles sur les mécanismes par lesquels les facteurs σ alternatifs et l'activateur RbpA influencent l'activité de la Fdx contre Mtb, et offrent une base pour le développement d'analogues de Fdx plus efficaces afin de lutter contre la tuberculose.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of tuberculosis, represents a major public health burden, causing several million deaths worldwide each year. Antibiotic resistance exacerbates this issue and necessitates the development of new treatments based on a deep understanding of the molecular mechanisms of resistance. Fidaxomicin (Fdx), an antibiotic targeting the bacterial RNA polymerase (RNAP), is currently clinically used against Clostridioides difficile infections, and has shown promising activity against rifampicin-resistant Mtb strains. Previous studies revealed that different σ factors of the Escherichia coli RNAP modulate Fdx capacity to inhibit E. coli RNAP, although the mechanisms remain unknown. The first objective of this project was to determine whether alternative σ factors of Mtb, along with the essential activator RbpA, influence Fdx activity and to elucidate the underlying mechanisms. Our results show that the Mtb RNAP containing σH, an alternative factor expressed in response to oxidative stress and heat shock, induces resistance to Fdx, while the association of the activator RbpA increases RNAP’s sensitivity to this antibiotic. We performed molecular dynamics simulations and biochemical studies to explore the molecular mechanisms through which these transcription factors modulate Fdx activity, highlighting the key role of the σ region 3.2. The resolved structure cryo-electron microscopy (cryo-EM) of the RNAP in complex with the stress response σB factor and Fdx, reveals similarities with previously described structures of RNAP associated with the primary σ factor and Fdx. The structural analysis suggests that Fdx traps the RNAP in an intermediate isomerization state during transcription initiation, before the complete opening of the DNA, by restricting the movements of the RNAP clamp. Finally, the efficacy of new analogs aimed at improving the physicochemical properties of Fdx was tested. Results show that residue switching of Fdx is a promising approach for the development of new antibacterial molecules against tuberculosis. These studies provide crucial insights into how alternative σ factors and the activator RbpA influence Fidaxomicin's activity against Mtb and offer a foundation for the development of more effective Fdx analogs to combat antibiotic-resistant tuberculosis.