Evolution of the export chaperone SecB towards the control of toxin-antitoxin systems

par Ambre Sala

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Pierre Genevaux et de Patricia Bordes.

Soutenue le 10-07-2015

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse) .

  • Titre traduit

    Evolution du chaperon d'export SecB vers le contrôle de systèmes toxine antitoxine


  • Résumé

    Chez la bactérie Escherichia coli, SecB appartient au réseau de chaperons moléculaires qui assistent le repliement et l'adressage des protéines nouvellement synthétisées. SecB est connu pour faciliter l'export en interagissant avec les pré-protéines sous forme non-native et les adressant au translocon Sec via une interaction directe avec le moteur ATPase SecA. SecB possède aussi une activité de chaperon générique et est capable d'assister le repliement de certaines protéines cytosoliques en absence des chaperons majeurs DnaK et Trigger factor. Alors que le translocon Sec est universellement conservé, le chaperon SecB est retrouvé principalement chez les protéobactéries. Cependant, de plus en plus de séquences de type SecB sont retrouvées dans d'autres groupes de la taxonomie bactérienne, comme par exemple chez le pathogène humain majeur Mycobacterium tuberculosis. Chez cette bactérie, une séquence de type SecB appelée Rv1957 est présente en association avec un système toxine-antitoxin (TA) appartenant à la famille HigBA. Généralement, les TA sont des systèmes à deux composants qui modulent la croissance en réponse à des conditions de stress spécifiques, favorisant ainsi l'adaptation et la persistance. Dans le cas de ce système atypique toxine-antitoxine-chaperon (TAC), Rv1957 interagit avec l'antitoxine HigA et la protège à la fois de l'agrégation et de la dégradation, et est donc strictement requis pour permettre l'inactivation de la toxine par l'antitoxine. La première partie de ce travail avait pour but de reconstruire l'histoire évolutive de ce nouveau système TAC. Pour cela nous avons procédé à une recherche de systèmes similaires dans l'ensemble des génomes disponibles qui a révélé que la présence de systèmes TAC n'est pas limitée aux mycobactéries et que ces systèmes semblent s'être répandus dans la taxonomie par le biais de transferts horizontaux de gènes. Nos résultats suggèrent que les chaperons des systèmes TAC sont évolutivement apparentés au chaperon d'export solitaire SecB et ont divergé pour devenir spécialisés vis-à-vis de leurs antitoxines partenaires. Nous avons ensuite étudié ce phénomène de spécialisation par une approche d'évolution dirigée du chaperon d'export SecB d'E. coli. Nous avons mis en évidence que des substitutions uniques dans SecB sont suffisantes pour améliorer sa capacité à contrôler spécifiquement HigBA du système TAC, et que ces mutations résultaient généralement en une meilleure interaction avec l'antitoxine HigA. Remarquablement, environ la moitié des mutants identifiés sont affectés dans leur activité de chaperon générique en l'absence des chaperons DnaK et Trigger factor, suggérant un conflit entre spécialisation du chaperon et ses fonctions génériques. La plupart des résidus identifiés se trouvent dans une région de SecB non caractérisée et proche du site proposé d'interaction avec le substrat. Des expériences de cross-link à des positions spécifiques ont révélé que cette région interagit directement avec l'antitoxine HigA. Enfin, nous avons montré que HigA est capable d'entrer en compétition avec la fonction d'export d'un SecB spécialisé plus efficacement que pour la version sauvage de SecB, illustrant la potentielle connexion entre les fonctions de type SecB dans l'export et le contrôle d'un système TA.


  • Résumé

    SecB is part of the intricate network of chaperones that assist folding and targeting of newly synthesized polypeptides in Escherichia coli. SecB is known to interact with nonnative precursor proteins and address them to the Sec translocon via direct interaction with the SecA motor component, thus facilitating their export. SecB is also able to act as a generic chaperone, by assisting the folding of certain cytosolic proteins when the major DnaK/Trigger Factor chaperone pathway is disrupted. While the Sec translocon is universally conserved, the SecB chaperone is mainly found in proteobacteria. However, an increasing number of SecB-like sequences have been found in unusual groups of bacteria and especially in the major human pathogen Mycobacterium tuberculosis. In this bacterium, a SecB-like sequence, Rv1957, is present in association with a toxin-antitoxin (TA) system belonging to the HigBA family. Usually, TA modules are two-component systems that modulate growth in response to specific stress conditions, thus promoting adaptation and persistence. In the case of this atypical toxin-antitoxin-chaperone (TAC) system, Rv1957 interacts with the HigA antitoxin and protects it from both aggregation and degradation, and is thus strictly required for neutralization of the toxin by the antitoxin. The first aim of this work was to reconstruct the evolutionary history of the newly discovered TAC system. We performed a large-scale genome screening and found that TAC is not restricted to mycobacteria and seems to have disseminated in the taxonomy by horizontal gene transfer. Our results suggest that TAC chaperones are evolutionarily related to the solitary export chaperone SecB and have diverged to become specialized towards their cognate antitoxins. Next, we investigated such chaperone specialization event through directed evolution of the E. coli export chaperone SecB. We found that single amino-acid substitutions within SecB were sufficient to improve its ability to specifically control HigBA from TAC, and that these mutations mainly resulted in an increased binding to the HigA antitoxin. Strikingly, about half of the mutants identified were affected in their ability to perform SecB generic chaperone functions in the absence of both DnaK and TF chaperones, suggesting a conflict between specialization and generic chaperone functions. Most of the residues identified are located within a previously uncharacterized region of SecB which is close to the proposed substrate binding site. Further in vitro site-specific cross-linking experiments revealed that this region directly interacts with the HigA antitoxin. Finally, we show that the HigA antitoxin can compete with the export function of specialized SecB more efficiently than it does with wild type SecB, thus illustrating the potential interplay between SecB-like chaperone export functions and TA activation.

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  • Sous le titre : Evolution of the export chaperone SecB towards the control of toxin-antitoxin systems
  • Détails : 1 vol. (153 p.)
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