Spatial regulation of motility in the social bacterium Myxococcus xanthus

par Yong Zhang

Thèse de doctorat en Biologie, Spécialité Microbiologie

Sous la direction de Tâm Mignot.

Le président du jury était Cheng-Cai Zhang.

Le jury était composé de Tâm Mignot, Cheng-Cai Zhang, François-Xavier Barre, Emmanuel Lemichez, Hilde De Reuse, Yue-Zhong Li, Frédéric Boccard.

Les rapporteurs étaient François-Xavier Barre, Emmanuel Lemichez.

  • Titre traduit

    Régulation spatiale de la motilité chez la bactérie sociale Myxococcus xanthus


  • Résumé

    Tous les organismes, les animaux, les plantes et les microbes, sont composés de cellules polarisées, en affichant un positionnement asymétrique des organites sub-cellulaires ou des structures. Le contrôle de polarité a été étudié chez les eucaryotes pendant une longue période, et a été montré pour être impliqués dans de nombreux processus physiologiques, tels que l'embryogenèse, le cancer métastatique et les maladies dégénératives des neurones. Chez les procaryotes, des études de polarité ne sont apparues récemment avec le développement de la microscopie à fluorescence sensibles. Ces études ont révélé que les cellules procaryotes sont en fait très organisé et une masse croissante de la littérature a montré que les cellules bactériennes également utiliser des radeaux lipidiques, courbure membranaire, la paroi cellulaire et un cytosquelette complexe pour diriger le positionnement spécifique de structures subcellulaires.Petites GTPases de la superfamille Ras sont des éléments réglementaires polarisation répandue chez les eucaryotes. Malgré l'existence depuis longtemps de ces petites GTPases dans les génomes procaryotes, leur fonction a jamais été étudiée. Pendant ce travail de thèse, nous avons trouvé, pour la première fois, qu'une petite GTPase, MglA et de sa protéine apparentée Activation GTPase (GAP) MglB, directe une dynamique axe antéro-postérieur à la motilité directe en forme de tige deltaproteobacterium Myxococcus xanthus. Dans ce processus, MglA s'accumule dans son état lié au GTP au niveau du pôle leader de cellules, en activant les machineries motilité. Ce schéma de localisation est maintenue par MglB, qui localise le pôle opposé, le blocage de l'accumulation MglA à ce pôle à travers son activité GAP. Remarquablement, les deux protéines passer leur localisation synchrone, ce qui correspond à un changement dramatique dans la direction du mouvement cellulaire (inversion). Ce commutateur est réglementé par un système chimiosensoriels-like, Frz. Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons identifié un régulateur de protéine de réponse, RomR qui est essentiel pour le regroupement polaire de MglA. Interdépendances complexes entre la localisation RomR, MglA et MglB indiquent que ces protéines pourraient constituer un complexe de polarité dynamique de trois protéines qui reçoit Frz de signalisation pour passer l'axe de polarité. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse suggère que M. xanthus intégré un module de polarité eucaryotes-like (MglAB) dans un procaryote spécifique (Frz) réseau de signalisation pour réguler sa motilité. Une telle réglementation est distincte sous forme de petites protéines G des règlements, qui sont généralement couplés à la protéine G récepteurs couplés (GPCR) chez les eucaryotes. Enfin, ce travail ouvre la voie pour comprendre comment la réglementation seule la motilité cellulaire sont intégrés pour générer des comportements commandés multicellulaires donnant naissance à des structures primitives de développement, par exemple, la morphogenèse du corps fructifères. D'autre part, ce travail fournit également un exemple d'analyser les étapes évolutives donnant lieu à des réseaux de signalisation.


  • Résumé

    All organisms, animals, plants and microbes, are composed of polarized cells, displaying asymmetric positioning of sub-cellular organelles or structures. Polarity control has been studied in eukaryotes for a long time, and has been shown to be involved in many physiological processes, such as embryogenesis, cancer metastasis and neuron degenerative diseases. In prokaryotes, polarity studies only emerged recently with the development of sensitive fluorescent microscopy. These studies revealed that prokaryotic cells are in fact highly organized and a growing body of literature has shown that bacterial cells also use lipid rafts, membrane curvature, the cell wall and a complex cytoskeleton to direct the specific positioning of subcellular structures.Small GTPases of the Ras superfamily are widespread polarization regulatory elements in eukaryotes. Despite the long known existence of such small GTPases in prokaryotic genomes, their function has never been studied. During this thesis work, we found, for the first time, that a small GTPase, MglA and its cognate GTPase Activating Protein (GAP) MglB, direct a dynamic anterior- posterior axis to direct motility of the rod-shaped deltaproteobacterium Myxococcus xanthus. In this process, MglA accumulates in its GTP-bound state at the leading cell pole, activating the motility machineries. This localization pattern is maintained by MglB, which localizes at the opposite pole, blocking MglA accumulation at this pole through its GAP activity. Remarkably, both proteins switch their localization synchronously, which correlates with a dramatic change in the direction of cell movement (reversal). This switch is regulated by a chemosensory-like system, Frz. In a second part of this work, we identified a response regulator protein, RomR which is essential for the polar clustering of MglA. Intricate localization interdependencies between Romr, MglA and MglB indicate that these proteins might constitute a dynamic three-protein polarity complex that receives Frz-signaling to switch the polarity axis. In conclusion, the results from this thesis work suggest that M. xanthus integrated a eukaryotic-like polarity module (MglAB) into a prokaryotic- specific (Frz) signaling network to regulate its motility. Such regulation is distinct form small G- protein regulations, which are generally coupled to G-protein coupled receptors (GPCRs) in eukaryotes. Finally, this work paves the way to understand how single cell motility regulations are integrated to generate ordered multicellular behaviors giving rise to primitive developmental structures, for example fruiting body morphogenesis. On the other hand, this work also provides an example to analyze the evolutionary steps giving rise to signaling networks.


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