• Langue : Français
• Discipline : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Identifiant : 2022ULILS058
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 29/06/2022

Résumé en langue originale

Les métaux de transition sont des micronutriments essentiels dans le cycle de vie de nombreux organismes vivants, y compris les bactéries. Ils jouent un rôle important à l'interface hôte-pathogène : l'hôte restreint l'accès au fer, au manganèse et au zinc pour les bactéries qui l'infectent, tout en les intoxiquant avec du cuivre ou du zinc pendant la phagocytose. Les bactéries ont donc acquis différents mécanismes d'homéostasie afin de s'adapter à ces conditions. Alors que des systèmes d'importation du fer, du manganèse ou du zinc ont été caractérisés, peu de choses sont connues pour le cuivre, pour lequel les études se sont concentrées sur les mécanismes de défense. Par ailleurs, alors que plusieurs mécanismes de régulation post-transcriptionnels sont connus pour d'autres métaux, seuls des régulateurs transcriptionnels ont été identifiés en réponse au cuivre.Des travaux antérieurs menés sur l'homéostasie du cuivre chez le pathogène humain Bordetella pertussis, responsable de la maladie de la coqueluche, ont montré que cette bactérie a perdu la plupart des mécanismes de défense connus contre l'excès de cuivre. En revanche, nous avons identifié un opéron de trois gènes appelés bp2923-bfrG-bp2921, dans lequel les deux derniers gènes sont régulés négativement par un excès de cuivre. bfrG est prédit pour coder un transporteur TonB-dépendant, une famille de protéines connue pour l'importation de métaux à travers la membrane externe des bactéries à Gram négatif, et bp2921 a un homologue prédit pour coder une sidérophore réductase. Ceci indique que ce système pourrait être impliqué dans l'acquisition du cuivre. Nous avons montré que la protéine codée par le premier gène, membre de la famille de protéines DUF2946, représente un nouveau type d'upstream Open Reading Frame (uORF) impliquée dans la régulation post-transcriptionnelle des gènes en aval. En l'absence de cuivre, l'opéron entier est transcrit et traduit. La perception du cuivre par la protéine naissante codée par bp2923 via un motif conservé CXXC déclenche la terminaison de transcription Rho-dépendante entre le premier et le deuxième gène en libérant le ribosome arrêté sur un motif conservé C-terminal RAPP. Les homologues de bp2923 sont répandus dans les génomes bactériens, dans lesquels ils sont en tête d'opérons prédits pour coder des mécanismes d'importation ou d'utilisation du cuivre. Nous avons donc identifié un nouveau mode de régulation génétique par un métal de transition et identifié une fonction de régulation pour un membre d'une famille de protéines bactériennes non caractérisées que nous avons appelé CruR, pour Copper responsive upstream Regulator. Des travaux supplémentaires sur ce système ont mis en lumière la complexité de la régulation bactérienne, car notre opéron est régulé non seulement par le cuivre, mais est aussi surexprimé par la modulation de la virulence et en phase stationnaire de croissance.Par ailleurs, nous avons commencé à caractériser la fonction de cet opéron. Nous avons montré que BfrG lie du cuivre in vitro, et des analyses phénotypiques ont montré le rôle de l'opéron pour la croissance bactérienne lorsque B. pertussis rencontre des conditions de faible oxygénation. Parmi les protéines à cuivre produites par B. pertussis, on trouve plusieurs cytochrome-oxydases de la chaîne respiratoire, ce qui suggère que BfrG et Bp2921 joueraient un rôle dans l'acquisition du cuivre pour leur assemblage. Combinées aux résultats de régulation, ces données suggère que notre opéron pourrait contribuer à dans la persistance bactérienne dans le tractus respiratoire lors de l'infection. Beaucoup d'aspects de ce système restent méconnus et nécessiteront d'être étudiés.

Résumé traduit

Several transition metals are essential micronutrients for most living beings, including bacteria. In addition, they play important roles at the host-pathogen interface: the host tends to restrict bacterial access to iron, manganese and zinc, while intoxicating invading microorganisms with copper or zinc during phagocytosis. Bacteria have therefore acquired various homeostasis mechanisms in order to adapt to those conditions. Whereas iron, zinc or manganese import systems have been extensively characterized, very little is known for copper, for which studies have mostly focused on defense mechanisms. Besides, while several post-transcriptional regulation mechanisms are known for other metals, only transcriptional regulators have been identified in response to copper.Previous work performed in the laboratory on copper homeostasis in the human-restricted pathogen Bordetella pertussis, responsible for the whooping cough disease, has shown that this bacterium has shed most of its defense mechanisms against excess copper. On the other hand, we have identified a three-gene operon called bp2923-bfrG-bp2921, in which the last two genes are down-regulated by copper excess. bfrG is notably predicted to encode a TonB-dependent transporter, a protein family well-known for metal import across the outer membrane in Gram-negative bacteria, and bp2921 has a characterized homolog encoding a siderophore reductase, which hints at a system involved in copper acquisition. We have shown that the protein encoded by the first gene, a member of the DUF2946 protein family, represents a new type of upstream Open Reading Frame (uORF) involved in post-transcriptional regulation of the downstream genes. In the absence of copper, the entire operon is transcribed and translated. Perception of copper by the nascent bp2923-coded protein via its conserved CXXC motif triggers Rho-dependent transcription termination between the first and second genes by relieving translation arrest on a conserved C-terminal RAPP motif. Homologs of bp2923 are widespread in bacterial genomes, where they head operons predicted to participate in copper importation or utilization. We have thus identified a new mode of genetic regulation by a transition metal and identified a regulatory function for a member of an uncharacterized family of bacterial proteins that we have named CruR, for Copper responsive upstream Regulator. Additional work on this system has shed a light on the complexity of bacterial regulation, as our operon is regulated not only by copper, but is also overexpressed upon virulence modulation or in stationary growth phase.We have also initiated the characterization of the function of this operon. BfrG has been shown to specifically bind copper in vitro, and phenotypic analyses have shown a crucial role for the operon when B. pertussis is placed in low-oxygen conditions. Among the cuproproteins produced by B. pertussis are several cytochrome oxidases in the respiratory chain, which suggests that BfrG and Bp2921 could play a role in delivering copper for their assembly. Combined with results on the regulation, this suggests a possible role for copper and our operon in bacterial persistence in the respiratory tract during infection. Many aspects of this system remain to be further investigated.