Signalisation chez les bactéries et les plantes PDF

Signalisation chez les bactéries et les plantes Les cellules bactériennes s'adaptent à leur environnement : Richesse en aliment ou type d'aliment (opéron lactose, opéron tryptophane) : expression génique différente Mobilité (quand les bactéries changent de sens de nage, le flagelle sert à sentir son...

Signalisation chez les bactéries et les plantes Les cellules bactériennes s'adaptent à leur environnement : Richesse en aliment ou type d'aliment (opéron lactose, opéron tryptophane) : expression génique différente Mobilité (quand les bactéries changent de sens de nage, le flagelle sert à sentir son environnement) : expression génique différentes PO, PH : expression génique différente. Les cellules bactériennes communiquent : Ligand = molécule sécrétée ou membranaire ou cytoplasmique – Ligands sécrétées : rôle dans les biofilms, rôle dans le déclenchement de la compétences des bactéries. – Ligands membranaires : rôle dans l'adhérence des bactéries, à des bactéries à des supports à des ¢ eucaryotes Récepteur = molécule membranaire ou cytoplasmique Comment fonctionnent les voies de communication : – I ~ interaction → signal = ligand/ récepteur entraîne une modification tridimensionnelle du récepteur qui permettra une phosphorylation sur l'histidine. – II ~ phosphorylation du récepteur – III ~ Transduction du signal c'est à dire transfert du phosphate sur le Régulateur de Réponse. (RR) – IV ~ Activation ou répression des gènes – V ~ Si activation → Réponse : – Certains gènes vont être inactivés d’autres activés. La variation d’expression des gènes permet à la cellule de s’adapter. Particularité bactéries : – Pas de noyau – Récepteur – Gram-: membrane externe – Gram-et Gram+ : paroi Acide Aminé phosphorylé: Histidine vers Acide Aspartique Si on phosphoryle une molécule sa structure tridimensionnelle change donc son interaction avec les autres molécules vont changer. Certaines fois ça active certaines fois ça réprime l'expression des gènes. Nature du Signal-Ligand : – Lumière (cyano bactérie, sulfureuse, E.Coli) – Gaz – Antibiotique – Alcool – Sucre, AA  – Histamine : cellules eucaryotes ou bactéries – Mg²+ – Fe, Cu, AG – PH T° Caractéristiques du signal-ligand : – Signaux physiques ou chimiques – Parfois connus – Parfois non connus – Fixation directe ou pas sur le récepteur – Déclenchement de la réponse adaptative Système à 2 composants : TCS – Présents chez les bactéries – Présents chez les archées – Rare chez les eucaryotes – Levure et autres unicellulaire eucaryotes – végétaux – Totalement absent chez les animaux Système à deux composants bactérien canonique : – L’HK est généralement un homodimère – Chez les bactéries, il est le plus souvent « constitutif » – Le RR est une protéine cytosoluble – L’HK est hautement partenaire de son RR – Leurs gènes sont très souvent au même locus – Le ration de la synthèse protéique HK/RR est de l’ordre de 1/35 4 domaine dans le système à deux composants bactérien canonique : – Domaine de détection du signal « input= entrée » – Domaine kinase de restitution « output = sortie » – Domaine receveur du phosphate sur l'aspartate – Domaine effecteur, souvent liaison à l'ADN Histidine kinase est faite de 2 domaines : – Input – Output Régulateur de réponse fait de deux domaines : – Domaine receveur du phosphate sur l’ASP – Domaine effecteur, souvent liaison à l’ADN Initiation de la transduction du signal : entrée du signal au niveau N-terminale du détecteur 1. Structure du domaine de détection – Chaque sous-unité HK a une paire d’hélices transmembranaires antiparallèles – Une des hélices débute à l’extrémité N-t  – La paire d’hélices encadre le domaine de détection (= sensor, 1) qui est périplasmique La plus part du temps le ligand vient se mettre à l'interface. 2. Repliement 3-D du domaine de détection périplasmique – Domaine PAS une partie en hélice α et une partie en feuillet β – Domaine PAS tandem deux parties α en feuillet et une partie en feuillet β – Domaine en α hélices – Domaine en β → rare Fixation du ligand : – Le Ligand se fixe à différents endroits selon la 3-D du détecteur – Comment le ligand se fixe n’est pas toujours connu – Certains ne sont pas en soit des ligands : – ex. T° : la variation de T° se fait par des modifications de la fluidité de la membrane – certains se fixeraient via une protéine accessoire qui se fixe sur le détecteur Transmission du signal à travers de la membrane plasmique : 1. Principe – Tout signal extra-cellulaire ou périplasmique se transmet via la membrane plasmique – Il se transmet du N-terminale vers le C-terminale du récepteur – Il se transmet via l’association que forme les 4 hélices transmembranaires – La transmission du signal comme sa détection impliquent des AA polaires chargés ou non – Lys, Arg, His, Glu et Asp – Ser, Thr, Asn, 2. Les 3 modèles actuels : de la symétrie vers de la dissymétrie – Piston : une hélice glisse par rapport à l'autre, donc transmission d'informations dans le cytoplasme. – Ciseau : On peut ouvrir et fermer – Rotation : Principe des engrenages Transmission du signal dans le cytoplasme via le connecteur : Zone structurale entre la partie transmembranaire et cytoplasmique – L’hélice 2 du détecteur se prolonge par un domaine cytoplasmique souvent riche en AA polaires – Ce domaine transmet en Ct le signal (cf. modèles dia précédente) – En absence de domaine, les AA polaires sont présents sous forme de « linker » – HAMP domaine 30% – 1 su = 50 acides aminés en 2 hélices enroulés – Dimère de 4 hélices a – Domaine de type STAC, PAS ou GAF Linker : acides aminés qui s’enchaînent et qui montre que l'on change de compartiments Activation de l'histidine Kinase : 1. Organisation de l’Histidine Kinase : domaine sortie « output » N-t Cytoplasme C-t - Partie Ct = Zone ou Cœur catalytique Histidine Kinase – Fait de 2 domaines – DHp: Dimérisation et Histidine Phosphotransfer – Domaine catalytique : – 3 réactions – Auto-Phosphorylation – Histidine – Phosphotransfert sur le RR : Activité Kinase C-t – Phosphatase – CA: Site C-terminal de liaison de l’ATP Il n'y a que l'ATP qui est capable de donner de l'histidine aux kinases. 2. Structure du domaine CA et Dhp – Famille des HTPases_c – Domaine qui lie ATP – Donne gamma -Phosphate à l’Histidine – Connexion DHp via une boucle flexible – Homodimère de 4 hélices antiparallèles – Histidine est sur l’hélice 1 – Le site de fixation du RR est symbolisé par le trait noir sur l’hélice 1 – 2 hélices connectées par une boucle en épingle « hairpin loop » – Lieu qui définit l’orientation de l’autophosphorylation 3. Autophosphorylation de l’Histidine Kinase – Etape initiale de l’activation – Permet à l’Histidine de capter un groupement g-phosphate de l’ATP – Fait passer l’HK d’une forme inactive à active 4. Modèle de l'autophosphorylation de l'histidine Kinase – La transmission du signal au niveau de l’hélice 1 entraîne une tension le long de l’hélice 2 qui entraîne une courbure de 1,5 tour de la l’hélice reliant les deux domaines CA et DHp. His – Le déroulement local entraîne une rupture entre des AA du CA et du Dhp – Le CA entre en contact avec l’His = Étape d'autophosphorylation – Noter les 2 hélices d’une su – Noter la présence His : noter dans la forme active, le contact entre le domaine CA et cet AA – AA jaunes = maintien conformation active : noter les contacts identiques dans les 2 formes – AA verts = maintien conformation inactive : noter l’absence de contact en forme active 5. Mécanisme de l'autophosphorylation de l'histidine Kinase – Système avec un travail en Cis : se passe sur le même brin d'ADN, sur la même zone.  – Système de travail en Trans : je me déplace, si je suis sur le récepteur 1 je vais aller donner mon ATP sur le récepteur numéro 2. Bilan de la transduction du signal jusqu'à l'autophosphorylation de l'histidine kinase : Succession de changement de conformation d’hélices qui se propage à travers la membrane plasmique jusqu’au domaine de phosphorylation de l’HK et aboutisse à son autophosphorylation. TCS et modèle de la transduction de signal via des transitions symétriques-asymétriques : cas du CuS et ions Cu ou Ag. Liaison des Métaux, … → Dimérisation → Structure symétrique → Transmission à travers la membrane → Courbure du CA Activité kinase H P ADP Autophosphorylation. TCS sensible à la chaleur : Quand on a des changement de températures on a des déformation au niveau des protéines transmembranaire. Transduction du signal sur le régulateur de réponse : Phosphotransfert : transfert du phosphate de l’His sur un acide aspartique = Activité Histidine Kinase du DHp : – Réaction très rapide ; kcat 20-100 min-1 – autophosphorylation est lente (>> 1 min) H2O – Réaction ne nécessitant de dissymétrie dans le domaine DHp – autophosphorylation Quand on a un système à 2 composants on a un saut de phosphate entre une histidine et un acide aspartique. Le régulateur de réponse porte un acide aspartique qui se fixe sur le bas de l'hélice d'histidine dans le domaine Dhp. Il catalyse sa propre aspartyl phosphorylation avec comme substrat la phospho-Histidine. Structure et rôle des régulateurs de réponses : Seul 17% des RR ont un seul domaine – Domaine receveur REC → Domine N-terminal – Interagit avec l’Histidine Kinase – Site de la phosphorylation sur Aspartate – Assure sa propre déphosphorylation – Régule l’activité de l’effecteur – Domaine effecteur, Taille Variable → C-terminal – 60% liaison à l’ADN : ex. OmpR – 21% activité enzymatique – Méthylase (CheB) – Adénylate cyclase (AMPc) – Formation du di-GMP – Histidine Kinase – Ser/Thr Kinase, Phosphatase … – 2% liaison à une protéine  – CheWet chimiorécepteur Les bactéries utilisent aussi dans leur voies de signalisation des seconds messagers. Liaison du Régulateur de Réponse à l’ADN : Le régulateur de réponse est sous forme de dimère et les deux sous unités sont phosphorylés. La phosphorylation est elle indispensable à l'activation du récepteur de réponse ? – Oui dans certains cas le RR-P permet l’expression de gènes ; cf. OmpR/OmpF – NON, parfois la forme non-phosphorylée permet l’expression génique modèle ci- dessous Originalité de nombreuses histidines kinases bactériennes = Enzyme bifonctionnelle Activité kinase : Histidine Kinase utilise l'ATP pour phosphoryler l'histidine. Le groupement phosphate est transféré sur une régulateur de réponse apparenté. /!\ Pas de phosphorylation des régulateur de réponse non apparenté Activité de Phosphatase : Absence de signal → L’Histidine Kinase déphosphoryle le RR apparenté → Suppression de toute production non voulue Intérêts de la bifonctionnalité : Maintien de la spécificité de la voie de signalisation Activité de la phosphatase : Déphosphoryler RR1 s’il a été phosphorylé par la HK non apparentée (ici HK2) Activité kinase : Si pas RR1, l’HK1 autophosphorylé peut phosphoryler un RR non apparenté. La préférence de HK2 pour RR2 limitera une erreur de signalisation … Stœchiométrie : Il y a toujours moins de HK que de RR (1/35) La délétion d’une kinase ou de son RR apparenté faussent la voie de signalisation Base moléculaire de la spécificité de reconnaissance HK/RR Variente du détecteur chez les bactéries : Senseur est périplasmique et histidine kinase est dans le cytoplasme et vient phosphoryler le régulateur de réponse. Certaine fois le système de détection est uniquement transmembranaire. D'autres fois le système de détection est complètement dans le cytoplasme. Donc 3 possibilités de localisations pour le détecteur. Les TS sont-ils tous associés à la membrane : NON certains sont purement cytosoliques. Ils sont fait pour sentir et détecter des ligands présents dans le cytoplasme. Les TCS sont-ils tous des homodimère ? NON – Homodimère – Hétérodimère – Monomère Porines et le système à deux composants EnvZ/OmpR, E. coli : Un des premiers systèmes à deux composants canoniques étudiés ; → Rôle dans le contrôle de l’osmolarité. Propriétés de la ȼ changent : volume, tension de ses enveloppes, [solutés, ions, …] Certaines bactéries survive dans l’eau pure (aw ~ 1) Bcp vivent dans les tissus humains (sang aw ~ 0.995) Certaines vivent dans l’eau de mer (aw ~ 0.98) Porine OmpF a un grand Ø = facilite le passage des solutés, des molécules Porine OmpC a un petit Ø = limite le passage des solutés, des molécules Perméabilité est dépendante du ratio OmpF/OmpC Si ratio diminue , l’imperméabilité augmente EnvZ/OmpR régule l’expression génique de OmpF et OmpC Si je me fixe au niveau du promoteur c'est que je peux modifier l'expression des gènes. Augmentation +/- forte de la PO interne => modification de la perméabilité via le taux des. régulateur = système à 2 composants Si PO [forte], OmpR-P : active – OmpF active + OmpC Si PO [faible], OmpR-P : active + OmpF n’active pas OmpC Systèmes à deux composants bactériens hybrides : Synonyme de hybrides = phosphorelais Un système hybrides ou phosphorelais est composé de plusieurs sauts ! Les histidine-Kinases sont-elles propres au monde des bactéries ? Non, connues chez les archées et surtout la levure et les végétaux Chez les eucaryotes : – signalisation doit aller jusqu’au noyau – système à phosphorelais +++ Systèmes à Histidine phosphorylation : TCS vs Hybride : – Le transfert de phosphate sur le RR est fait par une Histidine phosphotransferase (HTP) c'est à dire une protéine qui ne contient que le domaine qui catalyse le transfert du P sur le RR – L’HPT phosphorylée migre dans le noyau pour phosphoryler le RR qui agira ainsi sur le promoteur du gène à réguler Le phosphorelais des eucaryotes peut coopérer avec les voies plus classiques de la signalisation comme la voie des MAP Kinases. TCS / Phosphorelais et interconnexion : Les systèmes peuvent être interconnectés pour répondre aux variations environnementales que subissent les bactéries. La Régulation du métabolisme se fait selon la balance [O2] et [N03-]. Les bactéries font de la respiration et de la fermentation donc quand on passe de l'un à l'autre il faut inhiber un gène et en accélérer un autre. TCS et phosphorelais et protéines auxiliaires : Leurs rôles est de moduler le fonctionnement du récepteur : – Augmentation ou diminution de l'autophosphorylation – Augmentation ou diminution de l'activité phosphatase. Différentes localisations des protéines auxiliaires : – membrane externe – périplasme – transmembrane cellulaire – cytoplasme C'est pas parce que les bactéries sont des individus unicellulaire qu'elles ont des systèmes de régulation sommaire. Protéines auxiliaires ie accessoires et Phosphorelais : – Lors de l’interaction plante/bactérie, un signal inconnu active la lipoprotéine accessoire RscF. – Hétérodimérisation de RcsC avec RcsD – Régulation de l'expression d »un ensemble de gènes par RcsB seul ou d’autres gènes en associant avec la protéine accessoire RcsA/ Notion de second messager : Le RR phosphorylé ou non peut interagir : – directement avec l’expression génique (A) – ou indirectement (B) en interagissant avec des protéines permettant la production de messager secondaire comme l’AMPc ou des dinucléotides cycliques comme le c-di- GMP Les bactéries ont-elles d’autres récepteurs capables de détecter des signaux et ligands que les TCS et les Phosphorelais ? OUI Chimiorécepteur (Chemoreceptor) rôle dans beaucoup de fonction comme la mobilité, formation de biofilms, … Ligands : Attractant ou Répellant : – Maltose, Ribose, Pyrimidines, Phénol, Sérine, Acide aspartique, Cystéine , … – Phosphate inorganique, ions métalliques, … – Protéine Autoinducer 2 du Quorum Sensing – O2 – Le domaine détecteur est varié : – Liaison directe détecteur / ligand – Liaison via des co-facteurs : hème, le FAD, … Chimiorécepteur : Récepteurs qui sont capables de détecter des ligands que l'on appel Attractant ou Répellant. La base du chimiorécepteur est un dimère : Ce dimère n'est pas une histidine kinase. Domaine cytoplasmique constant + liaison CH3 d’où le nom de récepteur MA ou M CP. Je peux venir contrôler un directement l'activité de l'histidine kinase. Récepteur pour être fonctionnel doit / – Etre un trimère de dière – être associée à des protéines – CheW: protéine de couplage monomérique permet la fixation de CheA – Dimère de CheA c’est l’Histidine Kinase (H) – il peut être régulé par des CH3 – CheR : méthyltransférase : met des CH3 – CheB : méthylestérase : ôte CH3 – CheA peut phosphoryler lentement CheB – CheA s’autophosphoryle rapidement sous l’action du ligand => – CheAphosphorylevite son RR : CheY => Modification expression génique – D’autres protéines régulatrices (CheV, …) peuvent intervenir selon le récepteur Le chimiorécepteur sont des trimère de dimère qui peuvent s'associer à des histidines kinases couplées avec des régulateur de réponse. Selon si le récepteur est méthylé, ou selon des protéines annexes venant favoriser les activités méthylation déméthylation, je peux par exemple modifier la rotation du flagelle et permettre à la bactérie de fuir ou d'etre attirer par la nourriture. Système à un composant : Système de transduction fréquent généralement sans phosphorylation. Récepteur de séquestration d'un facteur sigma : transduction sans phosphorylation Sous l’action d’un signal le récepteur libère le s Tous les gènes dépendant de ce facteur seront exprimés. Modalités de libération du facteur sigma : – Un récepteur membranaire à activité protéasique se rapproche du récepteur anti sigma et le clive. Le facteur sigma est donc libéré.  – Un récepteur membranaire interagit aves le récepteur anti- sigma ; il change de forme et libère le facteur sigma Les bactéries n’ont-elles que des Histidine Kinases ? NON Les bactéries et archées ont-elles des kinases autres que les HK ? Depuis 2000, OUI … Les STKs et STPs des bactéries et des eucaryotes ont des similarités structurales et mécanistiques. Les Tyr-Kinases des bactéries et des eucaryotes ne se ressemblent pas. C’est pourquoi on parle de Bactérial Tyrosine- Kinases (BY-K). Signalisation et Phosphorylation : Présence covalente P sur un ou plusieurs acides aminés : Fin XIX Notion Kinase/Phosphatase : Mi-XX Dans les 3 domaines du vivant les phosphorylations les + étudiées pour la régulation sont : – pHis – Bactérie – Eucaryote « inférieur » et plantes – Signalisation +++ – pSer, pThr et pTyr – Eucaryote métazoaire : 86% Ser; 12% Thr; 2% Tyr Il existe chez les bactéries des interférences entre des systèmes différents.