Etude sur la relation fonction-structure de la lysine décarboxylase de Pseudomonas aeruginosa

par Diego Carriel Lopez

Thèse de doctorat en Biologie Structurale et Nanobiologie

Sous la direction de Irina Gutsche et de Sylvie Elsen.

Le président du jury était Bertrand Toussaint.

Le jury était composé de Patricia Renesto.

Les rapporteurs étaient Axel Hartke, Anne-Marie Di Guilmi.


  • Résumé

    La lysine décarboxylase (LDC) appartient à une famille d'enzymes décamériques dépendantes du cofacteur PLP qui sont connus pour catalyser la réaction transformant la L-Lysine en cadavérine tout en consommant un proton. Dans les entérobactéries comme Escherichia coli, nous trouvons deux paralogues, LdcI et LdcC. LdcI permet de faire face à la bactérie au conditions hostile de pH acide lors du passage à travers du tract gastro-intestinale. LdcC est produite pendant la phase stationnaire et aussi quand les bactéries font face aux traitements antibiotiques. La cadavérine produite par les LDCs est connue pour protéger les bactéries du stress oxydant. Cela s’explique par le fait que la cadavérine bloque les porines de la membrane externe, réduisant ainsi la perméabilité des molécules responsables du stress acides et oxydant. L'activité des LDCs chez E. coli est coordonnée avec la réponse stringente qui est mise en place lorsque les microorganismes sont dans des conditions pauvres en nutriments, afin d’éviter l’épuisement intracellulaire de la L-Lysine nécessaire pour la synthèse des protéines. Cependant, cette inhibition peut être levée par la formation d'un complexe en forme de cage avec son partenaire RavA, permettant ainsi aux bactéries de faire face aux stress multiples. Etant donné que la réponse au stress est importante pour que les bactéries puissent exhiber leur pathogénicité, nous nous sommes demandés si la bactérie opportuniste Pseudomonas aeruginosa pourrait employer LdcA pour contrer des conditions de stress qui ont déjà été décrites pour LdcI chez les entérobactéries. Au cours de ma thèse, nous avons abordé cette question en utilisant différentes approches complémentaires. Tout d'abord, nous avons utilisé des fusions promoteur-gène et de l'analyse par Western-blot pour déterminer les conditions dans lesquelles le gène ldcA a été exprimé et sa protéine synthétisée. Nous avons pu observer que ldcA est exprimé sur la phase stationnaire de croissance dans des conditions aérobies en milieux riches et également pendant des conditions anaérobies de respiration avec nitrate. Nous avons également confirmé que l'expression de ldcA est régulée par ArgR et elle est induite complètement lorsque l’acide aminé L-arginine est présente dans le milieu de croissance. Même si nous avons trouvé que les conditions de stress n'induisent pas l'expression de ldcA, nous avons obtenu de nouvelles données suggérant que d'autres mécanismes de régulation tels que le système de quorum sensing dépendant des quinolones (PQS) pourraient être impliqués dans l'expression de ldcA. En utilisant des souches mutantes de ldcA et son complémentée, nous avons évalué si LdcA était impliqué dans la réponse au stress acide et oxydatif. Bien que les données obtenues à l'aide des expériences dans notre laboratoire et des technologies à haut débit (Biolog) aient révélé que LdcA ne présente pas les mêmes fonctions que LdcI, nous avons découvert que la cadavérine produite par LdcA est nécessaire pour la croissance en milieu minimal avec L- Glutamate comme source de carbone. Nous avons également examiné si la présence de LdcA modifie la résistance aux antibiotiques et nous montré que les rends moins persistants face aux carbenicillines. Enfin, en combinant l'analyse phylogénétique et structurelle, nous avons découvert que LdcA appartient à un sous-groupe différent de LDCs bactériennes. Les alignements de séquences montrent que les résidus clés nécessaires pour lier le ppGpp ne sont pas présents dans le site de liaison prédit ce qui a été confirmer par l'analyse biochimique. Notre travail montre que, malgré le fait que LdcA catalyse la même réaction enzymatique et partage les mêmes caractéristiques structurelles que LdcI et LdcC, elle ne joue pas le même rôle que ses homologues. Son rôle est lié aux effets physiologiques de la cadavérine et à la relation entre la L-lysine et le catabolisme de la L-arginine.

  • Titre traduit

    Structure-function relationships of the lysine decarboxylase from Pseudomonas aeruginosa


  • Résumé

    The lysine decarboxylase (LDC) belongs to a family of decameric PLP-dependent enzymes that catalyse the reaction transforming L-Lysine into cadaverine while consuming a proton. They are known to be involved in polyamine metabolism and during acid and oxidative stress responses.In enterobacteria like Escherichia coli, two paralogs are present, LdcI and LdcC. LdcI takes part in acid stress response by buffering bacterial cytoplasm. LdcC is produced during stationary phase and also when bacteria face fluoroquinolone treatment. The cadaverine produced by LDCs is known to scavenge reactive oxygen species (ROS) and is capable of blocking outer membrane proteins, thus reducing the permeability of molecules responsible for acid and oxidative stresses. The activity of the LDCs from E. coli is coordinated with the stringent response (nutrient starvation) in order to prevent intracellular L-Lysine depletion. The stringent response signal molecule ppGpp is able to bind directly to LDCs and inhibit their enzymatic activity. However, the inhibition of the LdcI can be prevented by the formation of a cage-like complex with its partner RavA allowing bacteria to face the challenge of both acid and nutrient stresses.Since mechanisms allowing bacteria to counter stress challenges are important for displaying full virulence, we wondered if the opportunistic bacterium Pseudomonas aeruginosa could be using LdcA to counter stress conditions that have already been described for LdcI in enterobacteria. During my PhD, we addressed this question by using different but complementary approaches.First of all, we used promoter-gene fusions and western-blot analysis to determine the conditions in which ldcA was expressed and its product synthesized. We could observe that ldcA is expressed on stationary phase under aerobic conditions in rich media and also during nitrate-respiring anaerobic conditions. As previously described in literature, we also confirmed that ldcA expression is regulated by ArgR and fully induced when L-Arginine is present in the growth medium. Even though we found out that acid and oxidative stress conditions do not induce the expression of ldcA, we obtained new data suggesting that other regulation mechanisms such as the quinolone signal system (PQS) could be involved in ldcA expression.In paralell, we constructed an ldcA mutant and its complemented strain to understand whether LdcA was involved in acid and oxidative stress response. Although the data obtained by using manual screenings and high-throughput technologies (Biolog) revealed that LdcA is not displaying the same functions as LdcI, we discovered that the cadaverine produced by LdcA is needed for full growth fitness when growing in minimal medium using L-glutamate as carbon source. Since slow growing phenotypes are linked to heightened bacterial persistence and because cadaverine has been shown to reduce the persisters population, we also examined if the presence of LdcA is modifying the amount of persisters during carbenicillin treatment. Our data has confirmed that this is indeed the case.Finally, by combining phylogenetic and structural analysis, we discovered that LdcA belongs to a different subgroup of bacterial LDCs. Sequence alignments show that key residues needed for binding ppGpp are not present in the predicted binding site which also suggests that the enzymatic activity is not inhibited by this molecule. And biochemical analysis has confirmed that this is indeed the case as it is the case for Arginine decarboxylases.Our work shows that, in spite of the fact that LdcA catalyses the same enzymatic reaction and shares the same structural fold than LdcI and LdcC, it is not implicated in acid stress or oxidative stress responses. Its role is linked to physiological effects of cadaverine and to the relationship between L-lysine and L-Arginine catabolism.

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