MapZ: caractérisation d'un nouveau mécanisme de régulation de la division cellulaire bactérienne – Map-CellDiv

Nous avons mis en place une approche méthodologique s’appuyant sur différentes expertises et technologies afin de caractériser la structure de la protéine MapZ (RMN), étudier les caractéristiques biochimiques de son interaction avec la paroi cellulaire et ces partenaires cellulaires (biochimie des protéines) afin d'élucider son rôle biologique et le processus de régulation par phosphorylation en utilisant différentes approches de microscopie à fluorescence.

La caractérisation structurale du domaine extracellulaire de MapZ par Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) a permis de démontrer l'existence de deux sous-domaines structurés et séparés par une région de liaison (linker) flexible. En utilisant des approches de microscopie de la cellule vivante et de biochimie des protéines, nous avons démontré que l'un des deux sous-domaines servait de piédestal au second pour que ce dernier puisse être correctement positionné grâce au linker flexible et ainsi interagir avec le peptidoglycane, le composant majeur de la paroi cellulaire responsable de l'élongation cellulaire. Une analyse plus précise du second sous-domaine a permis de caractériser une signature conservée et comprenant les acides aminés indispensables à l'interaction avec le peptidoglycane. MapZ est ainsi véhiculée par le peptidoglycane produit lors de l'allongement cellulaire. Lorsque l'allongement de la cellule mère est suffisant pour générer deux cellules filles, MapZ est donc mécaniquement positionnée au centre de la future cellule fille et peut alors jouer un rôle de balise moléculaire pour positionner la machinerie de division cellulaire.

Ce travail laisse entrevoir des retombées très intéressantes pour la lutte contre les maladies infectieuses d'origine bactérienne. En effet, ces travaux serviront de base fondamentale pour la conception rationnelle de molécules spécifiques empêchant MapZ d'interagir avec le peptidoglycane et limitant ainsi la multiplication des bactéries. Connaissant l'urgence en matière de découverte de nouveaux antibiotiques, la mise au point de molécules bloquant la protéine MapZ représenterait une avancée majeure vers la découverte de nouveaux antibiotiques et un exemple de valorisation d'une recherche fondamentale.

Rewiring the pneumococcal cell cycle with Serine/threonine-and tyrosine-kinases Grangeasse, C. Trends Microbiol., (2016), 24, 713-24. Structure-function analysis of the extracellular domain of the pneumococcal cell division site positioning protein MapZ Manuse, S., Jean, N.L., Guinot, M., Lavergne, JP., Laguri, C., Bougault, C.M., VanNieuwenhze, M.S., Grangeasse, C*. and Simorre, JP. Nat. Commun. (2016), 7, 12071 * co-dernier auteurs. Cell division of Streptococcus pneumoniae: think positive! Garcia, P.S., Simorre, JP., Brochier-Armanet, C. and Grangeasse, C. Curr. Opin. Microbiol. (2016), 34, 18-23. Wrapping the cell in a CozE shell Ducret, A. and Grangeasse, C. Nat. Microbiol. (2017), 2, 16262.

Un des défis actuels en microbiologie est la caractérisation des mécanismes de la division cellulaire. Ce processus nécessite la mise en place d’un réseau complexe d’interactions protéiques ainsi que la hiérarchisation de ces interactions. Chez la plupart des bactéries, la division cellulaire conduit à la formation de deux cellules filles identiques. Ce processus de fission binaire nécessite l’identification du milieu de la cellule et le recrutement de la machinerie de division au centre de la cellule. Le premier composant de cette machinerie est la protéine de type tubuline FtsZ qui forme un anneau qui se referme afin de séparer les deux cellules. Une question fondamentale est donc de comprendre comment les bactéries identifient leur milieu pour positionner le site de division. A ce jour, la plupart des connaissances reposent uniquement sur des études réalisées chez quelques bactéries modèles et notamment Escherichia coli et Bacillus subtilis. Cependant, ces deux bactéries ne sont pas représentatives de la diversité des formes cellulaires, des modes de croissance et de développement des bactéries. De plus, les systèmes de positionnement du site de division chez Escherichia coli et Bacillus subtilis ne sont pas retrouvés chez de nombreuses bactéries. Enfin, plusieurs observations montrent que ces systèmes ne sont pas suffisants en eux même pour l’identification du centre de la cellule. C’est donc sans surprise qu’au cours des dernières années, des systèmes alternatifs ont été identifiés. C’est notamment le cas chez certaine proteobacteries et actinobacteries . Ainsi, nous avons récemment mis en évidence un mécanisme complètement nouveau chez la bactérie Streptococcus pneumoniae. L’élément clé de ce système est une protéine de fonction inconnue que nous avons appelée MapZ et qui est conservée chez les streptococci, les lactococci et la plupart des enterococci. Nous avons montré que MapZ forme un anneau qui localise au site de division avant FtsZ. L’anneau MapZ se sépare en deux lors de l’allongement cellulaire et se comporte comme une balise moléculaire permanente du futur site de division. Le positionnement de MapZ repose sur la synthèse de la paroi cellulaire qui pousse mécaniquement les annaux de MapZ. MapZ interagit ensuite directement avec FtsZ pour fixer le site de division. Nous avons également observé que la phosphorylation de MapZ régule la formation et la fermeture de l’anneau FtsZ. Le but de ce projet est maintenant de déterminer au niveau moléculaire et cellulaire comment MapZ se positionne au milieu de la cellule et comment elle contrôle la fermeture de l’anneau FtsZ. Pour atteindre ces objectifs, nous utiliserons des approches multidisciplinaires combinant génétique bactérienne, biochimie des protéines, biologie structurale ainsi que des techniques avancés d’imagerie de la cellule vivante. Cette stratégie permettra d’obtenir une vision intégrée du mécanisme de positionnement du site de division dépendant de MapZ. Ce projet est divisé en trois taches principales dédiées (i) à la caractérisation des propriétés structurales du domaine extracellulaire de MapZ et de son mode d’interaction avec la paroi cellulaire, (ii) la caractérisation des partenaires de MapZ et de leur rôle au sein des machineries de division et de synthèse de la paroi cellulaire et (iii) à la caractérisation du rôle de la phosphorylation de MapZ dans la fermeture de l’anneau FtsZ. Les données générées par ce projet permettront de décrypter un mécanisme nouveau et complétement diffèrent de ceux déjà identifiés et contribuera à l’évolution des connaissances fondamentale en sciences de la vie. S. pneumoniae étant un pathogène humain important, nous pouvons anticiper que nos données pourraient servir de base fondamentale à des projets plus appliqués pour développer des stratégies de lutte contre les infections bactériennes.