Structure and dynamics of the outer membrane protein A from Klebsiella pneumoniae : a joint NMR–SMFS–proteolysis and MS approach

par Iordan Iordanov

Thèse de doctorat en Biologie structurale

Sous la direction de Alain Milon.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Structure et dynamique de la protéine A de la membrane externe de klebsiella pneumoniae : une approche combinée par RMN-SMFS protéolyse et spectrométrie de masse


  • Résumé

    KpOmpA est une protéine de la membrane externe de K. Pneumoniae. Elle fait partie de la famille des "outer membrane protein A", OmpA. KpOmpA est une protéine constituée de deux domaines: un domaine transmembranaire structuré en tonneau ß et une partie soluble, périplasmique. Le domaine transmembranaire de KpOmpA présente une homologie importante avec celle d'OmpA d'E. Coli dont la structure a été déterminée par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN. OmpA d'E. Coli est responsable lors de la formation de biofilm. Elle a un rôle d'adhésine et d'invasine. Elle est la cible préférentielle du système immunitaire et est le récepteur de bactériophages. Il est admis que la plupart de ces fonctions sont dues aux boucles extracellulaires de ces protéines. Les différences majeures entre les protéines KpOmpA et OmpA d'E. Coli concernent les boucles extracellulaires de longueur plus importante dans le cas de KpOmpA. Elles jouent un rôle important au cours de l'activation des macrophages et des cellules dendritiques par la voie des récepteurs TLR2. Les boucles extracellulaires jouent un rôle essentiel au cours de l'activation du système immunitaire. Mieux définir la structure et la dynamique de ces boucles est d'une importance essentielle afin de mieux appréhender la fonctionnalité des boucles extracellulaires de KpOmpA. Les informations structurales connues actuellement (structure RMN déterminée dans le groupe IPBS RMN en 2009) ont été obtenus jusqu'à présent avec des échantillons de protéines recombinantes purifiées et repliées dans des micelles de détergent. Dans le présent travail, nous avons d'abord établi un protocole de reconstitution de la protéine dans une membrane phospholipidique et caractérisé nos échantillons par microscopie électronique. Des expériences de spectroscopie de force atomique sur molécule unique ont été réalisées pour caractériser le repliement de la protéine dans son environnement membranaire. Ces expériences sugge��rent un nouveau rôle de KpOmpA au sein même de la membrane (collaboration D. Müller, ETH Zürich). Le domaine soluble périplasmique de la protéine a été exprimé indépendamment du domaine membranaire. Les premières expériences HSQC réalisées montrent une structuration de ce domaine. La structure de ce domaine par spectroscopie RMN est en cours de réalisation. Le comportement dynamique des boucles extracellulaires du domaine membranaire KpOmpA reconstitué dans des liposomes a été étudié par spectroscopie RMN à l'angle magique (MAS) et notamment par mesure des temps de relaxation. Nous avons montré que la dynamique intrinsèque de la protéine est indépendante de l'environnement (membrane vs micelle). Des expériences de protéolyse ménagée suivie par spectrométrie de masse (MALDI-TOF) ont été comparées avec les informations RMN afin d'évaluer plus précisément les niveaux de mobilité des différentes boucles extracellulaires. La préservation au cours de l'évolution des boucles extracellulaires semble lier à leur dynamique, ce qui suggère l'importance de ces boucles extracellulaires, en termes de séquence, longueur mais aussi de dynamique lors de la réponse immunitaire.


  • Résumé

    KpOmpA is a two-domain membrane protein from Klebsiella pneumoniae belonging to the outer membrane protein A (OmpA) family. It is composed of a transmembrane ß-barrel with 8 ß-strands and a C-terminal, soluble periplasmic domain. The transmembrane domain presents a significant homology with E. Coli OmpA whose three dimensional structure has been determined by X-ray crystallography and by NMR. The E. Coli homologue can function as an adhesin and invasin, participate in biofilm formation, act as both an immune target and evasin, and serves as a receptor for several bacteriophages. It is assumed that most of these functions involve the four protein loops that emanate from the protein to the exterior of the cell. The difference between KpOmpA and E. Coli OmpA is mostly concentrated in these extracellular loops which are larger in the case of KpOmpA. KpOmpA was shown to activate macrophages and dendritic cells through the TLR2 dependent pathway, and these larger loops are supposed to play a specific role in the interactions with the immune system. Thus the structure and dynamics of these loops is of prime functional significance. The currently available information in this regard, including the NMR structure determined in the IPBS NMR group in 2009, have been obtained so far with recombinant protein samples purified and refolded in detergent micelles. In the present work we first established a reconstitution protocol that allowed the incorporation of the membrane protein in the more native environment of the lipid bilayer and characterised our samples by electron microscopy. SMFS experiments were used to probe the reconstituted KpOmpA unfolding-refolding pathways, exploring the folding mechanisms for ß-barrel proteins and suggesting a novel role for OmpA in the bacterial membrane (in collaboration with the group of D. Müller, ETH Zürich). The C-terminal periplasmic domain of KpOmpA was expressed and purified as a separate product and the feasibility of its structure elucidation by NMR was demonstrated by obtaining a high quality HSQC spectrum. The dynamic behaviour of the extracellular portion of the KpOmpA membrane domain reconstituted in liposomes has been investigated by solid state MAS NMR relaxation experiments. We confirmed that the previously observed gradient of dynamic along the molecule axis is an intrinsic property of the protein. Limited proteolysis and MALDI-TOF experiments were coupled with the NMR information in order to assess more precisely the different mobility levels in the loops. Evolutional preservation of the different loops regions is related to their observed flexibility, pointing towards immunologically important, variable, dynamic and accessible loops sections.

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  • Détails : 1 vol. (176 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0036
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