Structure et assemblage de complexes des enzymes Mur, essentielles pour la synthèse de la paroi bactérienne

Structure and assembly of Mur enzyme complexes, essential for bacterial cell wall biosynthesis

• Auteur / Autrice : Federica Laddomada
• Direction : Andréa Dessen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 22/12/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Breyton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Di Guilmi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Solange Morera, Jean-Michel Jault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Peptidoglycanes

Paroi bactérienne

Maladies bactériennes

Cristallographie

Mots clés libres

Cristallographie

Infection bacterienne

Paroi bacterienne

Peptidoglycane

Crystallography

Bacterial infection

Bacterial cell wall

Peptidoglycan

Résumé

Les enzymes de la famille Mur (MurA-MurG) sont essentielles pour la survie bactérienne, car elles catalysent les étapes cytoplasmiques de la biosynthèse du peptidoglycane, la principale composante de la paroi cellulaire. En outre, les Murs métabolisent des molécules qui sont absentes chez les eucaryotes, et ces enzymes sont structurellement et biochimiquement tractables. Cependant, malgré le fait que nombreux inhibiteurs anti-Mur ont été développés, un nombre tres réduit de ces molécules ont montré une activité antibactérienne prometteuse, ce qui a incité l'hypothèse selon laquelle, dans le cytoplasme bactérien, les enzymes Mur peuvent exister dans un complexe où les sites actifs sont à proximité, bloquant donc l'accès de petites molécules venant de l'extérieur. Cette hypothèse est soutenue par l'observation selon laquelle, dans de nombreux organismes, les gènes codant pour les enzymes Mur sont présents dans un seul opéron, souvent dans le même ordre; en outre, souvent des paires de gènes sont fusionnées pour générer un seul polypeptide, préconisant la possibilité que des complexes entre ces enzymes pourraient être formés dès qu'ils sont synthétisés. Nous avons obtenu les premières informations structurales et fonctionnelles sur la forme fusionnée MurE-MurF, présente dans le pathogène humain Bordetella pertussis, et nous avons montré qu'elle interagit avec la glycosyltransférase périphérique MurG, ce qui suggère la présence d'un complexe enzymatique ternaire. De façon intéressante, nous avons constaté que MurG de B. pertussis est capable de s'associer avec elle-même et de former différentes espèces oligomériques. Cette découverte pourrait renforcer le rôle de MurG en tant que protéine agissant comme une plateform capable d'ancrer d'autres enzymes Mur à la face interne de la membrane cytoplasmique bactérienne. Nos resultats pourront également être explorés pour comprendre le rôle potentiel de MurG en tant que régulateur de l'activité des enzymes de synthèse du PG. Ces résultats passionnants ouvriront le chemin vers la compréhension du mecanisme d’interaction des enzymes Mur dans le cytoplasme bactérien et pourraient permettre l'emploi éventuel des Murs comme cibles de facto pour développer de nouveaux antibiotiques.

Enzymes of the Mur family (MurA-MurG) are essential for bacteria, since they catalyse the cytoplasmic steps of peptidoglycan biosynthesis, the major component of bacterial cell wall; they metabolize molecules that do not exist in eukaryotes, and are structurally and biochemically tractable. However, despite the fact that many anti-Mur inhibitors have been developed, few of these molecules have shown promising antibacterial activity, which has prompted the hypothesis that within the bacterial cytoplasm Mur enzymes may exist in a complex where the active sites are in closed proximity, blocking small molecule access from the outside. This suggestion is supported by the observation that in many organisms, genes encoding Mur enzymes are present in a single operon, often in the same order, and often pairs of genes are fused to generate a single polypeptide, advocating the possibility that complexes between these enzymes could be formed as soon as they are synthesized. We have obtained the first structural and functional information on the MurE-MurF fused form, present in the human pathogen Bordetella pertussis, and shown that it interacts with the peripheral glycosyltransferase MurG, suggesting the presence of a ternary enzymatic complex. Interestingly, we have found that B. pertussis MurG is able to self-associate and form different oligomeric species. This finding could strengthen the hypothesis of MurG as a scaffold protein capable of anchoring other Murs to the inner face of bacterial inner membrane, but could be also further explored to understand its potential role as a regulator of the activity of PG synthesis enzymes. These exciting results will open the path towards the understanding of how Mur enzymes interact within the bacterial cytoplasm, and could permit the eventual employment of Mur enzymes as de facto targets for novel antibiotic development.