Analyse génétique et moléculaire de stress arsenic de souches bactériennes isolées d'environnements contaminés par l'arsenic

par Daniel Muller

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Marie-Claire Lett.

Soutenue en 2004

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .


  • Résumé

    L'arsenic est un métalloïde présent dans différents compartiments de l'environnement, provenant de sources naturelles ou de sources anthropiques. Les formes inorganiques, l'arsénite (As[III]) et l'arséniate (As[V]), sont les plus abondantes et aussi les plus toxiques. La proportion relative de ces états d'oxydation dans un environnement donné sera fonction de transformations chimiques spontanées, et surtout de biotransformations liées aux métabolismes bactériens, tels que la réduction et l'oxydation. Ce travail de thèse a eu comme objectif principal l'étude moléculaire et génétique de l'arsénite oxydase d'une ß-protéobactérie, Cenibacterium arsenoxidans. L'analyse de mutants obtenus par transposition aléatoire d'un mini-Tn5 a conduit à l'identification de deux gènes aoxA et aoxB, organisés en opéron et codant les deux sous-unités de l'arsénite oxydase. L'analyse phylogénétique des deux sous-unités de cette enzyme a révélé que celle-ci possède des homologues dans d'autres familles enzymatiques assurant des fonctions diverses. La comparaison entre ces différentes familles suggère une apparition très ancienne des enzymes de type arsénite oxydase (pré-LUCA). Par ailleurs nous avons étudié la réponse globale des bactéries se trouvant en contact avec l'arsenic. Pour ce faire, nous avons combiné deux approches, d'une part l'analyse des mutants dont le gène rapporteur est induit par l'arsenic, d'autre part l'étude des protéines dont la synthèse est régulée par l'arsenic. Nous avons montré que les gènes régulés par l'arsenic interviennent dans une grande variété de fonctions incluant l'information, le métabolisme intermédiaire, la structure des enveloppes, la transformation de différentes formes d'arsenic. Cette étude suggère, que la bactérie C. Arsenoxidans, est capable de réaliser également la réduction de l'arséniate en arsénite en plus de l'oxydation de l'arsénite en arséniate. Au moins trois opérons de type ars (réduction de l'As[V]) seraient présents dans cette souche.

  • Titre traduit

    Genetic and molecular analysis of the arsenic stress on bacterial strains isolated from arsenic contaminated environments


  • Résumé

    Arsenic is ubiquitous in the biosphere and frequently reported as an environmental pollutant. Many studies have shown that arsenic is cytotoxic at micromolar concentrations. Bacteria overcome the toxic effects of arsenic by either reducing arsenate (As[V]) to As[III], which is actively exported (ars operon), or by oxidizing As[III] to the lesser toxic form As[V]. In a first part, the effects of arsenic stress on the arsenic oxidizing ß-proteobacterial strain C. Arsenoxidans were studied. More than 4000 mutants were generated by random insertion of the lacZ-based reporter gene transposon Tn5lacZ2. Increased gene expression in the presence of As[III] was observed in twenty-two mutants. Two were deficient in As[III] oxidation. Sequence analysis of the DNA flanking the inserted transposon insertions allowed us to characterise for the first time two adjacent genes coding the two subunit of the arsenite oxidase, named aoxA and aoxB, organised in an operonic structure. Phylogenetic analysis for the two constituent subunits of the arsenite oxidase indicate an early origin of this enzyme, before the divergence of Archaea and Bacteria. In a second part, the global response to arsenic stress was studied by combining a proteomic approach with the mutants analysis. Twenty-two proteins and sixteen genes were identified as differentially expressed in cells grown in the presence of As[III]. We identified genes and proteins belonging to various functional classes including information and regulation pathways, intermediary metabolism, cell envelope and cellular processes. Moreover, the presence of As[V] reduction mechanisms in a As[III] oxidizing bacteria was shown for the first time. Our results suggest that the adaptation of C. Arsenoxidans to an arsenic-contaminated environment is not limited to transformation of arsenic species, but is rather pleiotropic, since a great variety of biological effects were involved.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.141-158

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2004;4754
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