A la recherche de protéines régulant des enzymes responsables de la synthèse du peptidoglycane – LookingForPegase

Combinaison de génétique bactérienne, de bioinformatique et de biochimie des protéines associées à des approches d'avant garde d'imagerie incluant notamment la microscopie électronique et la localisation de particule unique.

Après 18 mois, nos efforts se sont concentrés sur les protéines CozEa, CozEb et TseB. Chez S. pneumoniae, nos résultats montrent que l'interaction entre PBP1a et les régulateurs CozEa et CozEb est nécessaire au maintien de la taille et de la forme des cellules. L'analyse des muropeptides des mutants cozE est actuellement en cours pour identifier leur structure. Chez B. subtilis, nos observations suggèrent qu'un des 3 homologues de CozE régule l'activité de plusieurs PBP et serait impliqué dans la formation des spores. En ce qui concerne TseB, nous avons démontré que TseB est nécessaire pour que B. subtilis obtienne une forme cellulaire appropriée. Nous avons également montré que TseB interagit spécifiquement avec la transpeptidase monofonctionnelle PBP2a. De plus, nous avons observé que TseB est nécessaire pour la croissance des spores, une caractéristique partagée par PBP2a. Nous nous sommes récemment intéressés à la fonction de l'homologue de TseB chez S. pneumoniae. Nos observations montrent qu'il se localise au niveau du septum de division où il interagit spécifiquement avec certaines PBPs. De plus, notre analyse révèle que TseB est nécessaire à la morphogenèse du pneumocoque.
Nous avons également développé une nouvelle méthode pour marquer la synthèse du peptidoglycane chez S. pneumoniae et l'observer par microscopie de localisation de molécules uniques. La résolution et les informations sans précédent fournies ont ouvert de nouveaux concepts pour la morphogenèse des ovocoques. Ce travail pose les bases pour la caractérisation détaillée des régulateurs de la PG synthase (protéines TseB, MacP et CozE). La même stratégie est en cours pour le marquage du peptidoglycane de B. subtilis. Enfin, nous avons réalisé une analyse in-silico de la division cellulaire dans environ 1000 génomes de Firmicutes. Ce travail élargit le répertoire des protéines potentiellement impliquées dans la division cellulaire et la morphogenèse et suggère de nouveaux liens fonctionnels.

Notre projet axé sur différents régulateurs de l'assemblage de la paroi cellulaire chez deux bactéries non apparentées devrait permettre de mieux comprendre les différents mécanismes développés pour réguler spatialement et temporellement ce processus au cours du cycle cellulaire. En effet, plusieurs acteurs et plusieurs suites de réactions sont en oeuvre pour atteindre une forme cellulaire adéquate et satisfaire le développement et le mode de vie respectifs des bactéries. Les connaissances acquises avec ces espèces bactériennes illustreront comment la nature mis en place une variété de mécanismes pour réussir la division cellulaire et la morphogenèse. Ces connaissances sont également susceptibles d'ouvrir de nouveaux concepts concernant l'assemblage de la paroi cellulaire bactérienne. En contribuant à une meilleure compréhension de l'assemblage de la PG chez deux bactéries modèles mais non apparentées, le présent projet devrait avoir un fort impact sur l'identification de nouvelles cibles, soit des protéines individuelles, soit des interactions protéine-protéine spécifiques, pour une intervention thérapeutique contre les bactéries pathogènes. Il est important de noter que les mutations des gènes codant pour les PBP sont directement responsables de la résistance aux ß-lactamines de nombreuses souches. Le développement de stratégies ciblant les régulateurs des PBPs pourrait donc représenter une stratégie prometteuse pour bloquer l'assemblage de la paroi et re-sensibiliser ces souches résistantes.

1. Nanoscale Dynamics of Peptidoglycan Assembly during the Cell Cycle of Streptococcus pneumoniae. Trouve J, Zapun A, Arthaud C, Durmort C, Di Guilmi AM, Soederstroem B, Pelletier A, Grangeasse C, Bourgeois D, Wong Y-S, Morlot C. Current Biology (2021) S0960-9822(21)00576-5.
2. Impact of Serine/threonine kinases on the regulation of Sporulation in Bacillus subtilis. Pompéo F, Foulquier E and Galinier A, Frontiers in Microbiology (2021) Doi : 10.3389/fmicb.2021.697930
3. Recent progress in our understanding of peptidoglycan assembly in Firmicutes. Ducret and Grangeasse, Current Opinion in Microbiology (2021), 60, 44-50.
4. A comprehensive evolutionary scenario of cell division and associated processes in the firmicutes. Garcia PS, Duchemin W, Flandrois JP, Gribaldo S, Grangeasse C and Brochier-Armanet C. Molecular Biology and Evolution (2021) 38, 2396-2412.
5. A CozE homolog contributes to cell size homeostatis of Streptococcus pneumoniae. Stamsas GA, Restelli M, Ducret A, Freton C, Garcia PF, Havartstein LS, Straume D, Grangeasse C and Kjos M. mBio (2020) 11, e02461-20.

La paroi cellulaire des bactéries est responsable de la forme et de l'intégrité physique de la cellule. Son composant majeur est le peptidoglycane (PG), un polymère qui est continuellement remodelé tout au long de la croissance cellulaire. Tout défaut d'assemblage du PG est néfaste pour la cellule bactérienne. Ainsi, de nombreux antibiotiques actuellement utilisés ciblent les enzymes clés de l'assemblage du PG. Parmi ces antibiotiques, on peut citer le groupe des ß-lactames et les glycopeptides. Or, le nombre d'espèces bactériennes devenant résistantes à ces molécules ne cesse de croitre. Ce phénomène représente donc un sérieux problème de santé publique et la recherche de nouveaux inhibiteurs de l'assemblage du PG est un défi majeur en recherche médicale. Les PBPs (penicillin-binding proteins) qui catalysent la polymérisation et la réticulation du PG sont largement étudiées. Nos connaissances de la régulation de l'activité des PBPs restent néanmoins parcellaires à ce jour. Des travaux récents suggèrent que les PBPs pourraient être contrôlées positivement ou négativement par des régulateurs spécifiques. L'objectif majeur de ce projet est d'étudier ces régulateurs dans deux espèces bactériennes modèles : la bactérie pathogène Streptococcus pneumoniae et de la bactérie du sol Bacillus subtilis. Ces deux bactéries Gram-positives ont été choisies car elles différent de par leur forme cellulaire, leur comportement développemental et leur mode de vie. En effet, B. subtilis est une bactérie non pathogène en forme de bâtonnet et capable de sporuler alors que S. pneumoniae est un pathogène humain de forme ovoïde et non-sporulant. Il est donc extrêmement intéressant de déterminer si le mode d'action de ces régulateurs présents chez les deux bactéries est conservé ou, au contraire, si ces régulateurs fonctionnent différemment dans ces deux espèces. De plus, de nombreux outils génétiques sont disponibles chez ces deux modèles d’étude. Sachant que S. pneumoniae figure sur la liste des pathogènes prioritaires de l'OMS pour la recherche et le développement de nouveaux antibiotiques, nous analyserons également si ces régulateurs affectent la résistance bactérienne aux ß-lactames. En effet, la résistance à ces molécules est souvent associée à des mutations des gènes de PBPs. Nos résultats préliminaires suggèrent que plusieurs protéines, TseB, CozEa, CozEb, CozEc et MacP, régulent la fonction de plusieurs PBPs chez ces bactéries. Pour atteindre nos objectifs, nous concentrerons nos efforts sur trois axes. Dans un premier temps, nous caractériserons biochimiquement ces protéines régulatrices et nous établirons leur réseau d'interaction. Nous déterminerons ensuite de rôle physiologique de ces régulateurs et leur localisation spatio-temporelle. Enfin, nous analyserons leur impact sur la composition du PG ainsi que sur la sensibilité de souches résistantes aux ß-lactames. Ce projet implique 4 groupes de recherche possédant une expertise reconnue internationalement dans ces domaines d'études. Notre stratégie repose sur les compétences spécifiques de chaque partenaire et bénéficie de la forte synergie existant entre nos équipes. Nous allierons des approches allant de la génétique bactérienne, la biochimie à l'imagerie électronique et optique. D'un point de vue fondamental, ce projet contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes d'assemblage de la paroi cellulaire bactérienne. D’un point de vue plus appliqué, nos résultats ouvriront des voies prometteuses vers la conception rationnelle de nouvelles drogues antibactériennes et de nouvelles stratégies pour combattre les bactéries multi-résistantes.