Etude de la réponse adaptative à l'oxyde de triméthylamine et de son mécanisme de détection chez Escherichia coli et Shewanella oneidensis

par Claudine Baraquet

Thèse de doctorat en Microbiologie moléculaire et biotechnologie

Sous la direction de Cécile Jourlin et de Vincent Méjean.

Soutenue en 2008

à Aix-Marseille 2 , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille) .

mots clés

• Trimethylamine N-oxyde
• Systèmes à deux composants
• Periplasmic binding protein
• Proteine affine
• Chimiotactisme
• Energy taxis
• Chaines respiratoires
• TMAO réductase
• Escherichia coli -- Thèses et écrits académiques
• Shewanella -- Thèses et écrits académiques
• Chimiotaxie -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Les bactéries Escherichia coli et Shewanella oneidensis sont capables d'utiliser l'oxyde de triméthylamine (TMAO) comme accepteur terminal d'électrons pour leur respiration. La réduction du TMAO est réalisée par le système respiratoire TMAO réuctase codé par l'opéron tor. Chez ces deux bactéries, l'expression de cet opéron est sous le contrôle strict du TMAO et sa régulation fait intervenir un système à deux composants TorS/TorR et une protéine périplasmique TorT. Le premier objectif de ma thèse a été de déterminer comment le TMAO était détecté par le système de régulation à deux composants TorS/TorR. Il s'avère que les protéines TorT d'E. Coli et de S. Oneidensis sont des protéines affines du TMAO. En présence de TMAO, la protéine TorT interagit avec le senseur TorS qui est alors capable de phosphoryser son régulatuer de réponse partenaire TorR. En absence de TMAO, la protéine TorT de S. Oneidensis est libre dans le périplasme tansi que celle d'E. Coli interagit toujours avec TorS. J'ai montré que, chez E. Coli, la présence de TMAO induit une cascade de changements conformationnels de TorT à TorS permettant ainsi la transduction du sinal TMAO. Des homologues de la protéines TorT ont été indentifiés et leurs gènes peuvent être classés en deux catégories selon leur localisation au sein du locus tor ou à proximité de gènes codant pour un ABC transformateur putatif. Un des produits de cette deuxième catégorie étant également capable de fixer le TMAO, il pourrait donc être impliqué dans l'import du TMAO. Nous proposons donc l'existence d'une nouvelle famille de protéines affines du TMAO ou de composés apparentés impliquée dans la transduction du signal ou dans le transport. Le deuxième objectif de ma thèse a été d'étuder le comportement chimiotactique de S. Oneidensis vis-à-vis du TMAO. Nous avons montré que le chimiotactique vis-à-vis du TMAO, ainsi que vers d'autres accepteurs d'électrons comme le nitrite, le nitrate, le fumarate ou le DMSO, résulte d'un mécanisme d'énergie taxie. Dans ce mécanisme, la fonction des oxydoréductases est requise et la force proton motrice générée lors de la respiration constitue le signal. Le chimiorécepteur principalement impliqué dans le mécanisme d'energie taxie a également été identifié. Ce chimiorécepteur possédant un motif Cache, nous proposons que ce domaine soit impliqué dans la détection de la force proton motrice. En conclusion, chez S. Oneidensis, le TMAO constitue le signal qui induit l'expression du système Tor dont le fonctionnement induit à son tour une réponse chimiotactique de type énergie taxie vis-à-vis du TMAO.

Titre traduit

Adaptative response to trimethylamine N-oxide and its detection in Escherichia coli et Shewanella oneidensis

Résumé

Escherichia coli and Schewanella oneidensis ca use trimethylamine N-oxide (TMAO) as terminal electron acceptor for respiration. Reduction of TMAO in TMA (trimethylamine) is mainly performed by th TMAO reductase system encoded by the tor operon. The expression of this operon is under the strict control of TMAO. This regulation involves the TorS/TorR two-component system and the TorT periplasmic protein. The first goal of mys thesis was to determine how the TorS/TorR two-component system detects TMAO. It turns out that TorT of E. Coli and of S. Oneidensis are TMAO-binding proteins. In the presence of TMAO, TorT interacts with the sensor TorS wich is then able to phosphorylate its cognate response regulator TorR. In the absence of TMAO, the TorT protein of S. Oneidensis is free in the periplasm whereas the TorT protein of E. Coli still interacts with TorS. I have shown that, in E. Coli, the presence of TMAO induces a cascade of conformational changes from TorT to TorS, leading to TorS activation. Several homologues or TorT were identified and their genes are located either in tor loci or closed to genes coding for putative ABC transporters. One member of this second class also binds TMAO and could thus be involved in the import of TMAO. We proposed that TorT homologues constitue a new family of periplasmic binding proteins dedicated to signal detection or transport of TMAO or related compounds. The second goal of my thesis was to study the chenomatic behaviour of the S. Oneidensis towards TMAO. I have shown that taxis towards TMAO and other exgenous electron acceptors, including fumarate, nitrate and DMSO, is governed by an energy taxis mechanism. The activity of terminal oxydoreductases is required and the proton motive force generated by respirationprovides the signal. The dedicated chemoreceptor was identified, and it contains a Cache domain. We proposed that this domain mediates the detection of the proton motive force. To conclude, in S. Oneidensis, TMAO is the signal that induces the expression of the Tor system, whose acivity induces, in turn, a chemotactic response towards TMAO.