Hème et porphyrine chez des bactéries modèle: des fonctions aux mécanismes – HEMESTOCKEXCHANGE

Une partie importante des méthodes mises en œuvre tire parti des caractéristiques d’absorption et de fluorescence des porphyrines qui sont des molécules colorées dont les propriétés changent en fonction de l’environnement. Des méthodes et approches génétiques, ainsi que des approches protéomiques sont mises en oeuvre pour identifier de nouveaux partenaires des réactions étudiées.

Une pompe bactérienne d’efflux essentielle pour excréter la protoporphyrine IX (précurseur et/ou produit de dégradation de l’hème, toxique pour la bactérie à la lumière) a été identifiée chez la bactérie Escherichia coli. Cette pompe (MacAB-TolC) a préalablement été identifiée comme impliquée dans l’efflux de certains antibiotiques (macrolides). Tous les autres axes du projet ont également progressé.

Ces observations pourraient, dans certains cas, conduire à de nouveaux traitements antibiotiques associant carence en fer et photothérapie dynamique, ce qui pourrait permettre d’augmenter l’efficacité des traitements classiques.

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L'hème (protoporphyrine de fer) est une molécule essentielle pour la plupart des organismes vivants. L'atome de fer qu'il contient en son centre et les réactions d'oxydo-réduction que celui-ci peut subir sont à la base de nombreuses proprietés de l'hème. Il intervient en particulier dans le transfert d'électrons (chaîne respiratoire), le transport et la détection de l'oxygène, du monoxyde de carbone et du monoxyde d'azote, la détection de l'état rédox de compartiments cellulaires. C'est également une molécule potentiellement dangereuse, qui peut s'insérer dans les membranes de par le caractère hydrophobe du noyau tétrapyrrole et également participer à la génération d'espèces réactives de l'oxygène. Son homéostasie est finement régulée. Pour les espèces bactériennes commensales et/ou pathogènes des vertébrés, il représente (par sa présence comme constituant de l'hémoglobine) la source majeure de fer biodisponible (l'hémoglobine contenant 80% du fer total d'un organisme). Les microorganismes ont développé de nombreux systèmes de reconnaissance, d'import, de dégradation et de protection contre la toxicité de l'hème. Ces systèmes peuvent être régulés à différents niveaux par la concentration en hème extracellulaire et fer intracellulaire. Le projet HEMESTOCKEXCHANGE a pour but d'identifier de nouveaux mécanismes de reconnaissance de l'hème et des hémoprotéines de l'hôte, de transfert et de transport de l'hème a travers l'enveloppe cellulaire, de relargage du fer de l'hème ainsi que des systèmes de détoxification de l'hème chez des bactéries modèles et des systèmes de régulation associés. Trois bactéries seront utilisées: Escherichia coli, chez qui un nouveau mécanisme d'extraction du fer de l'hème a été découvert, sans rupture du noyau tétrapyrrole (réaction de déferrochélation), mécanisme que nous étudierons plus en détail; nos études visent également à révéler de nouveaux mécanismes de régulation par l'hème chez cette bactérie ainsi que les mécanismes d'efflux de l'hème et de ses métabolites. Streptococcus agalactiae (streptocoque de groupe B), est une bactérie Gram-positive et pathogène, dépourvue de voie de biosynthèse de l'hème, susceptible d'acquérir l’hème de l'hôte pour mettre en place une chaîne respiratoire, nécessaire à l'établissement de la virulence complète. Chez S. agalactiae, nous avons récemment décelé des systèmes de régulation de l’homéostasie intracellulaire en hème/porphyrine et des pompes d'efflux. Cependant, les mécanismes de reconnaissance des hémoprotéines, de capture et de transport de l'hème restent à découvrir. Haemophilus influenzae est une bactérie Gram-négative, également dépourvue de voie de biosynthèse de l'hème, dont l'hôte exclusif est l'homme. Cette bactérie doit acquérir l'hème des hémoprotéines de l'homme ; elle peut également utiliser le précurseur immédiat de l'hème, c'est à dire la protoporphyrine IX (PPIX), car elle possède la ferrochélatase qui permet l'insertion de l'atome de fer en son centre. Chez H. influenzae, les mécanismes d'import de PPIX ne sont pas connus, pas plus que les systèmes de régulation. Nous avons identifié un mécanisme original de capture de l'hème d'une hémoprotéine que nous voulons maintenant comprendre en détail. Tous les systèmes découverts seront étudiés du point de vue physiologique, et aussi structural, grâce à la participation d'un partenaire expert dans ce type d'étude. Enfin nous voulons étudier chez la bactérie, sur un système modèle d'import de l'hème, par des méthodes biophysiques, une cascade de transduction de signal de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. Les équipes constituant ce projet ont une expertise approfondie des systèmes bactériens d'acquisition de l'hème. La synergie entre équipes, de par leurs expérience complémentaire, devrait permettre d'obtenir des résultats importants et originaux sur des mécanismes de métabolisme d’hème, importants pour l'établissement et le maintien des bactéries chez leurs hôtes.