Structure de la queue du phage T5 et mécanisme de perforation de l’enveloppe bactérienne par les Siphoviridae

par Charles-Adrien Arnaud

Thèse de doctorat en Biologie structurale et nanobiologie

Sous la direction de Cécile Breyton.

Soutenue le 19-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de Chimie et Sciences du Vivant , en partenariat avec Institut de biologie structurale (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Irina Gutsche.

Le jury était composé de Yves Gaudin.

Les rapporteurs étaient Stéphanie Ravaud, Sophie Zinn-Justin.


  • Résumé

    La grande majorité des bactériophages connus ont un virion équipé d'une queue permettant la reconnaissance de l'hôte, la perforation de l'enveloppe bactérienne et l'éjection du matériel génétique viral directement dans le cytoplasme de la bactérie. La famille des Siphoviridae représente 60% des phages caudés et est caractérisée par une queue longue et non-contractile. Le tube de la queue est formé par un empilement de protéine majeur de tube (TTP) polymérisé autour de la protéine vernier (TMP). L'extrémité distale de la queue est équipé d'un complexe de protéine dans lequel se trouve les protéines de liaison au récepteur (RBP). La séquence d'évènement permettant l'éjection de l'ADN et l'infection est encore mal décrite.Au cours de cette thèse, la structure de pb6, la TTP du phage T5 qui s'assemble de façon non-canonique en trimères, a été résolue par cristallographie à une résolution de 2,2 Å. L'analyse de cette structure confirme cependant une homologie structurale de pb6 avec les autres TTPs et avec des protéines bactériennes du système de sécrétion de type VI et des pyocines R. Une étude RMN comparant pb6 dans ses états de monomère et de tube polymérisé est en cours et permettra à terme une description très fine de cet assemblage.De plus, les structures du complexe distal de queue et du tube de la queue (tube de pb6) ont été résolue des résolutions intermédiaires avant et après interaction avec le récepteur bactérien. Ces structures obtenues par cryo-microscopie électronique révèle une absence de changements structuraux au niveau du tube, en contradiction avec le modèle jusque là proposé que la TTP transmettait l'information de fixation du récepteur à la capside.Bien qu'à un stade préliminaire, les reconstructions du complexe distal sont très informatives sur les rôles de protéines pb2 et pb4.L'ensemble de ses données ainsi que des expériences biochimique et la comparaison avec d'autres systèmes bien décrits dans la littérature permet de proposer un nouveau modèle pour les premières étapes de l'infection des Siphoviridae. Ce modèle a également un intérêt pour l'étude du mécanisme d'autres familles de virus (Myoviridae). Les différences, similarité et parenté d'éléments de la queue du phage T5 avec d'autres systèmes de perforation de membrane sont discutés.

  • Titre traduit

    Structure of phage T5 tail and mechanism of bacterial envelope perforation by Siphoviridae


  • Résumé

    The vast majority (96%) of bacteriophages possess a tail that allows host cell recognition, cell wall perforation and safe viral DNA channelling from the capsid to the cytoplasm of the bacterium. Siphoviridae is a familly representing 60% of all tailed phages characterized by a long flexible tail. The tail tube is formed by stacks of hexamers of the tail tube protein (TTP) polymerised around the tape measure protein (TMP). At the distal end of the tail, the tail tip complex harbours the receptor binding proteins (RBP). For these phages, little is known on the mechanism that triggers DNA ejection after binding to the host.We report the crystal structure at 2.2 Å resolution of pb6, an unusual trimeric TTP, of siphophage T5. Structure analysis however confirms the homology of pb6 with all TTPs, related tube proteins of bacterial puncturing devices (type VI secretion system and R-pyocin) and procapsid proteases. We fit this structure into the cryo-electron microscopy map of the tail tube determined at 6 Å resolution. Comparing the structure of the tail tube before and after interaction with the host receptor, we show that unlike previously proposed, the host binding information is not propagated to the capsid by the tail tube, as the two structures, at that resolution, are identical. An ambitious NMR comparative study of the TTP in its monomeric and tube form is underway to further describe this assembly.Moreover, the structures of the tail tip complex prior and after interaction with the bacterial receptor were solved at intermediate resolution. These structures reveal interesting conformationnal changes triggered by the RBP binding to the bacterial receptor. Those rearrangements are the first to occur after phage irreversible binding to its host and they induce the TMP ejection, the capsid opening, the enveloppe perforation and ultimately DNA channeling to the host cytoplasm.Together with biochemical data and comparison with other known system in the litterature we are able to propose a model for Siphoviridae very first steps of infection. These findings might be of interest for the mechanism of other viral familly (notably Myoviridae) and similarity with other membrane perforating systems is discussed.

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