Structure et fonction des spirosomes bactériens

Abstract

L’enzyme acétaldéhyde-alcool déshydrogénase (AdhE) est une enzyme clé dans la physiologie et pathogénicité bactérienne. Cette enzyme est responsable de la conversion de l’acétyl-CoA en acétaldéhyde puis en éthanol au cours de la fermentation alcoolique en absence d’oxygène. Ces deux réactions sont associées à la régénération du NAD+ qui est essentielle pour la glycolyse. AdhE est composée de 2 domaines : le domaine N-terminal acétaldéhyde déshydrogénase (ALDH) et le domaine C-terminal alcool déshydrogénase (ADH). Cette enzyme bi-fonctionnelle est très conservée dans le règne bactérien et également chez d’autres micro-organismes tels que des algues vertes. L’enzyme AdhE est étudiée pour son implication dans la production de biocarburants mais également pour son rôle dans la pathogénicité bactérienne. Cette enzyme est communément retrouvée sous sa forme oligomérique appelée spirosome. Malgré l’intérêt porté au monomère AdhE, la structure et la fonction des filaments restent inconnues depuis leur découverte dans les années 1970.En fonction des ligands présents, les spirosomes d’Escherichia coli sont retrouvés dans 2 états distincts.Durant cette thèse, les structures de la conformation étendue et compacte ont été résolues à haute résolution par cryo-microscopie électronique. A partir des structures obtenues, des mutants d’AdhE ont pu être générés afin d’empêcher la filamentation et ainsi d’étudier son rôle. Nous avons montré que les spirosomes contiennent des monomères d’AdhE actifs et que la filamentation est essentielle à son activité in vitro et in vivo. Lors de l’analyse de la structure étendue, nous avons identifié un canal dans le spirosome qui serait responsable de la canalisation de l’intermédiaire toxique qu’est l’acétaldéhyde. Comme d’autres exemples de filamentation d’enzymes ou de micro-compartiments enfermant des déshydrogénases, les spirosomes sont une forme de compartimentation bactérienne. Dans le but de l’étudier plus en détails, des expériences d’immuno-marquages ont été réalisées afin de localiser les filaments d’AdhE à l’intérieur de la bactérie. Ces observations ont révélé une localisation périphérique de la protéine sauvage d’AdhE alors que la protéine mutante non-filamentaire présente une localisation diffuse. Même si cette observation ne peut encore être expliquée, elle pourrait suggérer une différence de fonction entre la forme oligomérique et monomérique.La structure des spirosomes de Streptococcus pneumoniae a aussi été résolue par cryo-ME. Ces filaments sont toujours purifiés sous leur forme étendue. Cette structure est hautement similaire à celle obtenue pour E. coli dans leur conformation étendue. Les spirosomes de S. pneumoniae semblent être naturellement stabilisés en conformation étendue et donc active. Ceci pourrait être expliqué par les différences des séquences des deux protéines homologues.La détermination des structures des spirosomes d’E. coli et S. pneumoniae à haute résolution puis l’étude de la fonction révèlent que ces filaments sont indispensables à physiologie bactérienne en absence d’oxygène. L’étude de la régulation de l’activité des spirosomes pourrait mener à la découverte de molécules stimulant ou inhibant le changement de conformation des filaments d’AdhE d’ E. coli. Ces molécules pourraient présenter un intérêt en biotechnologie ou dans le but d’inhiber la croissance de micro-organismes anaérobies pathogènes.