A formação de biofilmes bacterianos é um fenômeno bem conhecido, caracterizado pela formação de uma comunidade bacteriana estática, embebida em uma matriz exopolimérica, regulada pela molécula sinalizadora c-di-GMP. Os domínios proteicos que catalisam a síntese (GGDEF) e degradação (EAL e HD-GYP) de c-di-GMP estão presentes em grande quantidade em quase todos os genomas bacterianos sequenciados até hoje. Dentre as diversas proteínas envolvidas nas vias de sinalização mediadas por esse nucleotídeo, uma grande parcela são proteínas transmembranares que possuem ambos domínios GGDEF e EAL. Funcionalmente, esses domínios se apresentam em todas combinações: ambos degenerados ou conservados e combinações GGDEF-degenerado/EAL-conservado ou vice-versa. Enquanto que domínios conservados potencialmente apresentam atividade catalítica, os degenerados geralmente convertem-se em domínios estruturais ou receptores de c-di-GMP. Embora recentes estudos estruturais revelaram detalhes de proteínas com ambos domínios degenerados (LapD) ou ativos (MorA), pouco se sabe sobre uma das combinações mais representativas: GGDEF-degenerado/EAL-conservado. Nesse trabalho, realizamos um estudo estrutural e funcional da proteína STM3615 de Salmonella enterica, que apresenta um domínio periplasmático de função desconhecida, seguido pelos domínios citoplasmáticos HAMP, GGDEF-degenerado e EAL-conservado. Através de diferentes construções citoplasmáticas solúveis de STM3615, confirmamos que essa proteína apresenta atividade fosfodiesterase, mesmo quando o domínio EAL encontra-se isolado. Corroborando com sua atividade catalítica, estudos em solução, tais como SAXS e cromatografia de exclusão molecular, mostraram que o EAL isolado de STM3615 é dimérico, um pré-requisito para ser ativo. Utilizando uma construção com os domínios GGDEF-EAL determinamos sua estrutura cristalográfica a uma resolução de 2,5 Å. Comparada com proteínas de arquitetura próxima, como o receptor de c-di-GMP LapD de Pseudomonas fluorescens, ou a enzima bifuncional MorA de Pseudomonas aeruginosa, sua estrutura se assemelha muito mais a essa última. Em particular, a hélice que conecta os domínios GGDEF e EAL possui a mesma extensão que a de MorA, maiores que a encontrada em LapD. Como a hélice pequena de LapD está relacionada com sua plasticidade conformacional interdomínios, a estrutura apresentada nesse trabalho sugere as proteínas dual domain cataliticamente ativas (EAL-mono ou bifuncionais) sejam estruturalmente rígidas. Combinando esses resultados com uma análise computacional feita em outras 150 sequências representativas de proteínas dual domain, propomos mecanismos catalíticos distintos para as enzimas bifuncionais e as EAL-monofuncionais. Enquanto que essas últimas formam dímeros estáveis através do domínio EAL, numa conformação apta para interagir e degradar c-di-GMP, as enzimas bifuncionais apresentam transições oligoméricas mediadas por interação de c-di-GMP com EAL, impondo atividades ciclase (GGDEF) e fosfodiesterase (EAL) excludentes. Por fim, baseados nesses mecanismos e na arquitetura de STM3615, ainda especulamos mecanismos funcionais in vivo compatíveis com o tema emergente de interações proteicas e localização do sinal nas vias de sinalização mediadas por c-di-GMP. / The formation of bacterial biofilms is a well-established phenomenon regulated by the signaling molecule c-di-GMP, characterized by the establishment of a static bacterial community embedded in a exopolymeric matrix. The domains responsible for the synthesis (GGDEF) or degradation (EAL and HD-GYP) of c-di-GMP are present in multiple proteins in nearly all bacterial genomes sequenced to date. Among the multiple and structurally diverse proteins involved in c-di-GMP signaling and biosynthesis, a large class are transmembrane proteins bearing both EAL and GGDEF domains. Functionally, these domains are presented in all combinations: both degenerate or conserved and combinations GGDEF-degenerated/EAL-conserved or vice versa. While the predicted conserved domains exhibit catalytic activity, the degenerate usually converted into structural domains or c-di-GMP receptors. While structural studies have revealed details of proteins with both domains degenerated (LapD) or conserved (MorA), little is known about one of the most representative combinations: GGDEF-degenerated/EAL-conserved. In this work, we conducted a structural and functional study of Salmonella enterica STM3615 protein, which has a periplasmic domain of unknown function, followed by cytoplasmic domains HAMP, GGDEF-degenerated and EAL-conserved. Through different soluble cytoplasmic constructs of STM3615, we confirmed that this protein has phosphodiesterase activity, even with the isolated EAL domain. In agreement with its catalytic activity, solution studies, such as SAXS and size exclusion chromatography, showed that STM3615 isolated EAL is dimeric, a prerequisite for phosphodiesterase activity. Using a construct with the isolated EAL-GGDEF domains, we determine its crystal structure to a resolution of 2.5 Å. Compared to the architectural closed c-di-GMP receptor LapD from Pseudomonas fluorescens and the bifunctional enzyme MorA from Pseudomonas aeruginosa, STM3615 structure is more similar to the latter. In particular, the α-helix connecting the domains GGDEF and EAL has similar extension, longer than the helix found in LapD. Given that this helix in LapD is essential for its inter-domain conformational plasticity, the structure presented in this study suggests the dual domain catalytically active proteins are structurally rigid. Combining these results with a computational analysis with 150 representative sequences containing the tandem GGDEF-EAL domains, we propose distinct catalytic mechanisms for bifunctional and monofunctional EAL enzymes. While the latter form stable dimers through the EAL domain, a conformation prompted to interact and degrade c-di-GMP, the bifunctional enzymes present oligomeric transitions mediated by interaction of c-di-GMP with EAL domain, imposing excluding cyclase (GGDEF) or phosphodiesterase (EAL) activities. Finally, based on these mechanisms and STM3615 architecture, we also speculated about functional mechanisms in vivo consistent with the emerging theme of protein interactions and localized signal involved in signaling pathways mediated by c-di-GMP.

A formação de biofilmes bacterianos é um fenômeno bem conhecido, caracterizado pela formação de uma comunidade bacteriana estática, embebida em uma matriz exopolimérica, regulada pela molécula sinalizadora c-di-GMP. Os domínios proteicos que catalisam a síntese (GGDEF) e degradação (EAL e HD-GYP) de c-di-GMP estão presentes em grande quantidade em quase todos os genomas bacterianos sequenciados até hoje. Dentre as diversas proteínas envolvidas nas vias de sinalização mediadas por esse nucleotídeo, uma grande parcela são proteínas transmembranares que possuem ambos domínios GGDEF e EAL. Funcionalmente, esses domínios se apresentam em todas combinações: ambos degenerados ou conservados e combinações GGDEF-degenerado/EAL-conservado ou vice-versa. Enquanto que domínios conservados potencialmente apresentam atividade catalítica, os degenerados geralmente convertem-se em domínios estruturais ou receptores de c-di-GMP. Embora recentes estudos estruturais revelaram detalhes de proteínas com ambos domínios degenerados (LapD) ou ativos (MorA), pouco se sabe sobre uma das combinações mais representativas: GGDEF-degenerado/EAL-conservado. Nesse trabalho, realizamos um estudo estrutural e funcional da proteína STM3615 de Salmonella enterica, que apresenta um domínio periplasmático de função desconhecida, seguido pelos domínios citoplasmáticos HAMP, GGDEF-degenerado e EAL-conservado. Através de diferentes construções citoplasmáticas solúveis de STM3615, confirmamos que essa proteína apresenta atividade fosfodiesterase, mesmo quando o domínio EAL encontra-se isolado. Corroborando com sua atividade catalítica, estudos em solução, tais como SAXS e cromatografia de exclusão molecular, mostraram que o EAL isolado de STM3615 é dimérico, um pré-requisito para ser ativo. Utilizando uma construção com os domínios GGDEF-EAL determinamos sua estrutura cristalográfica a uma resolução de 2,5 Å. Comparada com proteínas de arquitetura próxima, como o receptor de c-di-GMP LapD de Pseudomonas fluorescens, ou a enzima bifuncional MorA de Pseudomonas aeruginosa, sua estrutura se assemelha muito mais a essa última. Em particular, a hélice que conecta os domínios GGDEF e EAL possui a mesma extensão que a de MorA, maiores que a encontrada em LapD. Como a hélice pequena de LapD está relacionada com sua plasticidade conformacional interdomínios, a estrutura apresentada nesse trabalho sugere as proteínas dual domain cataliticamente ativas (EAL-mono ou bifuncionais) sejam estruturalmente rígidas. Combinando esses resultados com uma análise computacional feita em outras 150 sequências representativas de proteínas dual domain, propomos mecanismos catalíticos distintos para as enzimas bifuncionais e as EAL-monofuncionais. Enquanto que essas últimas formam dímeros estáveis através do domínio EAL, numa conformação apta para interagir e degradar c-di-GMP, as enzimas bifuncionais apresentam transições oligoméricas mediadas por interação de c-di-GMP com EAL, impondo atividades ciclase (GGDEF) e fosfodiesterase (EAL) excludentes. Por fim, baseados nesses mecanismos e na arquitetura de STM3615, ainda especulamos mecanismos funcionais in vivo compatíveis com o tema emergente de interações proteicas e localização do sinal nas vias de sinalização mediadas por c-di-GMP. / The formation of bacterial biofilms is a well-established phenomenon regulated by the signaling molecule c-di-GMP, characterized by the establishment of a static bacterial community embedded in a exopolymeric matrix. The domains responsible for the synthesis (GGDEF) or degradation (EAL and HD-GYP) of c-di-GMP are present in multiple proteins in nearly all bacterial genomes sequenced to date. Among the multiple and structurally diverse proteins involved in c-di-GMP signaling and biosynthesis, a large class are transmembrane proteins bearing both EAL and GGDEF domains. Functionally, these domains are presented in all combinations: both degenerate or conserved and combinations GGDEF-degenerated/EAL-conserved or vice versa. While the predicted conserved domains exhibit catalytic activity, the degenerate usually converted into structural domains or c-di-GMP receptors. While structural studies have revealed details of proteins with both domains degenerated (LapD) or conserved (MorA), little is known about one of the most representative combinations: GGDEF-degenerated/EAL-conserved. In this work, we conducted a structural and functional study of Salmonella enterica STM3615 protein, which has a periplasmic domain of unknown function, followed by cytoplasmic domains HAMP, GGDEF-degenerated and EAL-conserved. Through different soluble cytoplasmic constructs of STM3615, we confirmed that this protein has phosphodiesterase activity, even with the isolated EAL domain. In agreement with its catalytic activity, solution studies, such as SAXS and size exclusion chromatography, showed that STM3615 isolated EAL is dimeric, a prerequisite for phosphodiesterase activity. Using a construct with the isolated EAL-GGDEF domains, we determine its crystal structure to a resolution of 2.5 Å. Compared to the architectural closed c-di-GMP receptor LapD from Pseudomonas fluorescens and the bifunctional enzyme MorA from Pseudomonas aeruginosa, STM3615 structure is more similar to the latter. In particular, the α-helix connecting the domains GGDEF and EAL has similar extension, longer than the helix found in LapD. Given that this helix in LapD is essential for its inter-domain conformational plasticity, the structure presented in this study suggests the dual domain catalytically active proteins are structurally rigid. Combining these results with a computational analysis with 150 representative sequences containing the tandem GGDEF-EAL domains, we propose distinct catalytic mechanisms for bifunctional and monofunctional EAL enzymes. While the latter form stable dimers through the EAL domain, a conformation prompted to interact and degrade c-di-GMP, the bifunctional enzymes present oligomeric transitions mediated by interaction of c-di-GMP with EAL domain, imposing excluding cyclase (GGDEF) or phosphodiesterase (EAL) activities. Finally, based on these mechanisms and STM3615 architecture, we also speculated about functional mechanisms in vivo consistent with the emerging theme of protein interactions and localized signal involved in signaling pathways mediated by c-di-GMP.

Segundos mensageiros nucleotídicos são amplamente utilizados por bactérias para se adaptar às mudanças ambientais e fisiológicas. Neste cenário destaca-se o c-di-GMP, um segundo mensageiro praticamente universal em bactérias responsável por controlar a transição do estilo de vida bacteriano. Em geral, altos níveis celulares de c-di-GMP promovem um estado séssil, de formação de biofilme, enquanto baixos níveis induzem a motilidade. Xanthomonas citri subsp. citri (Xac), um fitopatógeno de grande importância econômica no Brasil, possui uma complexa regulação da sinalização de c-di-GMP, possuindo mais de 30 proteínas envolvidas na síntese, na degradação e na detecção deste segundo mensageiro. Dentre essas proteínas, destacam-se as que possuem os domínios de síntese e degradação presentes na mesma cadeia polipetídica, os domínios GGDEF e EAL respectivamente. A análise das estruturas primárias das 11 proteínas GGDEF-EAL codificadas pelo genoma de Xac revelou que a maior parte delas (6) provavelmente possui o domínio GGDEF inativo, enquanto o EAL é ativo. Três possivelmente possuem ambos os domínios ativos enquanto outras duas possuem ambos os domínios inativos. O nocaute do gene xac2382 que codifica uma dessas proteínas (que possui um domínio periplasmático seguido dos domínios citoplasmáticos HAMP-GGDEF-EAL), demonstra um aumento de motilidade e uma diminuição na formação de biofilme. Construções de fragmentos da proteína revelaram que XAC2382 necessita pelo menos dos domínios HAMP-GGDEF para complementar a cepa nocaute e que a atividade de diguanilato ciclase é essencial para isto. O domínio periplasmático de XAC2382 se mostrou interagir com XAC2383, uma proteína codificada por um gene presente no mesmo cluster do gene de XAC2382, e essa interação parece importante para o controle da motilidade de Xac. A estrutura de XAC2383 foi resolvida por cristalografia de raios X na qual foi revelada uma topologia típica de proteínas da família das periplasmic binding proteins (PBPs) possuindo ainda uma cavidade carregada positivamente contendo um motivo Ser-Thr-Ser (amnioácidos 152-154) importante para a ligação de compostos com grupos fosfatos ou fosfonatos. A mutação sítio dirigida nesse motivo aboliu os efeitos na motilidade dependentes dessa proteína. Esses resultados sugerem que XAC2383 é um sensor periplasmático de um composto eletronegativo e esta proteína interage com XAC2382 regulando a motilidade bacteriana. XAC0495, uma proteína com ambos os domínios GGDEF-EAL provavelmente inativos, pode fazer parte de um sistema de dois componentes com a histidina quinase XAC0494. XAC0495 se comporta como um monômero em solução e possui um formato alongado, como revelado por experimentos de SAXS. / Nucleotide based second messengers are widely used by bacteria in signaling pathways that mediate adaptations to environmental and physiological changes. c-di-GMP is a nucleotide second messenger ubiquitous in Gram-negative bacteria, where it plays a role in many important behaviors that define bacterial lifestyle. In general, high cellular levels of c-di-GMP promote biofilm formation, while low levels induce bacterial motility. Xanthomonas citri subsp. Citri (Xac), a pathogen of great economic importance in Brazil, has a complex repertoire of c-di-GMP signaling molecules, with more than 30 genes coding for proteins involved in the synthesis, degradation and detection of this second messenger. Among these proteins, many have both GGDEF and EAL domains (often associated with c-di-GMP synthesis and degradation, respectively) present in the same polypeptide chain. Analysis of the primary structure of 11 GGDEF-EAL proteins coded by the Xac genome revealed that six most likely possess an inactive GGDEF domain plus an active EALdomain. Another three proteins have both domains active while the other two have both domains inactive. The knockout of the xac2382 gene, coding for a protein which contains a periplasmic domain followed by cytoplasmic HAMP, GGDEF (active) and EAL (active) domains, shows an increase in motility and a decrease in biofilm formation. Constructions containing fragments of this protein revealed that constructs containing at least the HAMP and GGDEF domains are able to complement the knockout strain and that diguanilate cyclase activity is essential for this. The XAC2382 periplasmic domain was shown to interact with a protein encoded by a gene situated in the same cluster, XAC2383, and that this interaction seems crucial for the control of Xac motility. The structure of XAC2383 was solved by X-ray crystallography and was shown to adopt a topology typical of the periplasmic binding proteins (PBP) family. The protein possesses a positively charged groove that contains a Ser-Thr-Ser motif (152STS154) important for the binding of compounds with phosphate or phosphonate groups. Site-directed mutagenesis of this motif abolished the effects on motility caused by this protein. These results suggest that XAC2383 is a periplasmic protein responsible for sensing a compound with electronegative characteristics and which interacts with XAC2382, thereby regulating the bacterial motility. Another protein, XAC0495 (with both GGDEF-EAL domains probably inactive) may be part of a two-component system with the histidine kinase XAC0494. Small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments reveal that XAC0495 exists as an elongated monomer in solution.

Segundos mensageiros nucleotídicos são amplamente utilizados por bactérias para se adaptar às mudanças ambientais e fisiológicas. Neste cenário destaca-se o c-di-GMP, um segundo mensageiro praticamente universal em bactérias responsável por controlar a transição do estilo de vida bacteriano. Em geral, altos níveis celulares de c-di-GMP promovem um estado séssil, de formação de biofilme, enquanto baixos níveis induzem a motilidade. Xanthomonas citri subsp. citri (Xac), um fitopatógeno de grande importância econômica no Brasil, possui uma complexa regulação da sinalização de c-di-GMP, possuindo mais de 30 proteínas envolvidas na síntese, na degradação e na detecção deste segundo mensageiro. Dentre essas proteínas, destacam-se as que possuem os domínios de síntese e degradação presentes na mesma cadeia polipetídica, os domínios GGDEF e EAL respectivamente. A análise das estruturas primárias das 11 proteínas GGDEF-EAL codificadas pelo genoma de Xac revelou que a maior parte delas (6) provavelmente possui o domínio GGDEF inativo, enquanto o EAL é ativo. Três possivelmente possuem ambos os domínios ativos enquanto outras duas possuem ambos os domínios inativos. O nocaute do gene xac2382 que codifica uma dessas proteínas (que possui um domínio periplasmático seguido dos domínios citoplasmáticos HAMP-GGDEF-EAL), demonstra um aumento de motilidade e uma diminuição na formação de biofilme. Construções de fragmentos da proteína revelaram que XAC2382 necessita pelo menos dos domínios HAMP-GGDEF para complementar a cepa nocaute e que a atividade de diguanilato ciclase é essencial para isto. O domínio periplasmático de XAC2382 se mostrou interagir com XAC2383, uma proteína codificada por um gene presente no mesmo cluster do gene de XAC2382, e essa interação parece importante para o controle da motilidade de Xac. A estrutura de XAC2383 foi resolvida por cristalografia de raios X na qual foi revelada uma topologia típica de proteínas da família das periplasmic binding proteins (PBPs) possuindo ainda uma cavidade carregada positivamente contendo um motivo Ser-Thr-Ser (amnioácidos 152-154) importante para a ligação de compostos com grupos fosfatos ou fosfonatos. A mutação sítio dirigida nesse motivo aboliu os efeitos na motilidade dependentes dessa proteína. Esses resultados sugerem que XAC2383 é um sensor periplasmático de um composto eletronegativo e esta proteína interage com XAC2382 regulando a motilidade bacteriana. XAC0495, uma proteína com ambos os domínios GGDEF-EAL provavelmente inativos, pode fazer parte de um sistema de dois componentes com a histidina quinase XAC0494. XAC0495 se comporta como um monômero em solução e possui um formato alongado, como revelado por experimentos de SAXS. / Nucleotide based second messengers are widely used by bacteria in signaling pathways that mediate adaptations to environmental and physiological changes. c-di-GMP is a nucleotide second messenger ubiquitous in Gram-negative bacteria, where it plays a role in many important behaviors that define bacterial lifestyle. In general, high cellular levels of c-di-GMP promote biofilm formation, while low levels induce bacterial motility. Xanthomonas citri subsp. Citri (Xac), a pathogen of great economic importance in Brazil, has a complex repertoire of c-di-GMP signaling molecules, with more than 30 genes coding for proteins involved in the synthesis, degradation and detection of this second messenger. Among these proteins, many have both GGDEF and EAL domains (often associated with c-di-GMP synthesis and degradation, respectively) present in the same polypeptide chain. Analysis of the primary structure of 11 GGDEF-EAL proteins coded by the Xac genome revealed that six most likely possess an inactive GGDEF domain plus an active EALdomain. Another three proteins have both domains active while the other two have both domains inactive. The knockout of the xac2382 gene, coding for a protein which contains a periplasmic domain followed by cytoplasmic HAMP, GGDEF (active) and EAL (active) domains, shows an increase in motility and a decrease in biofilm formation. Constructions containing fragments of this protein revealed that constructs containing at least the HAMP and GGDEF domains are able to complement the knockout strain and that diguanilate cyclase activity is essential for this. The XAC2382 periplasmic domain was shown to interact with a protein encoded by a gene situated in the same cluster, XAC2383, and that this interaction seems crucial for the control of Xac motility. The structure of XAC2383 was solved by X-ray crystallography and was shown to adopt a topology typical of the periplasmic binding proteins (PBP) family. The protein possesses a positively charged groove that contains a Ser-Thr-Ser motif (152STS154) important for the binding of compounds with phosphate or phosphonate groups. Site-directed mutagenesis of this motif abolished the effects on motility caused by this protein. These results suggest that XAC2383 is a periplasmic protein responsible for sensing a compound with electronegative characteristics and which interacts with XAC2382, thereby regulating the bacterial motility. Another protein, XAC0495 (with both GGDEF-EAL domains probably inactive) may be part of a two-component system with the histidine kinase XAC0494. Small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments reveal that XAC0495 exists as an elongated monomer in solution.

Legionella pneumophila est un pathogène intracellulaire, agent de la Légionellose, et dont le réservoir dans l’environnement est constitué d’amibes aquatiques comme Acanthamoeba castellani. Mes objectifs de thèse étaient l’identification de mécanismes moléculaires contrôlant la virulence et la multi-résistance chez L. pneumophila, et en particulier l’exploration du rôle des protéines « GGDEF/EAL ». Les domaines GGDEF et EAL sont retrouvés dans des enzymes permettant respectivement de synthétiser (diguanylate cyclase, DGC) ou dégrader (phosphodiestérase, PDE) le di-GMP cyclique, un second messager spécifique des bactéries, qui participe au contrôle de fonctions clés comme la virulence ou la mobilité. L. pneumophila Lens possède 22 gènes codant des protéines GGDEF/EAL, et dont la plupart sont exprimés lorsqu’elle est dans sa phase virulente. L’activité enzymatique des 22 protéines « GGDEF/EAL » a été analysée in vitro : sur 10 protéines purifiées, 6 sont des DGC, dont 2 présentes une double activité DGC/PDE. L’inactivation de 5 gènes des 22 gènes et la surexpression de 2 autres entrainent une baisse de la virulence vis-à-vis d’A. castellanii. De plus, nous avons montré que l’activité DGC d’au moins 2 de ces protéines est requise lors du cycle infectieux. Enfin, nous avons décrit un système à deux composants original comprenant l’histidine kinase (HK) Lpl0330, capable de s’autophosphoryler sur un nouveau domaine HisKA, retrouvé dans 64 autres HK potentielles, et Lpl0329, le premier régulateur de réponse à double activité enzymatique caractérisé, dont la phosphorylation conduit à moduler le taux de di‐GMPc en favorisant une de ses deux activités (Levet-Paulo et al., 2011). / Legionella pneumophila is an intracellular pathogen found in aquatic environments where it replicates in protozoan hosts. My objectives were to identify molecular mechanisms that control virulence and multidrug resistance in L. pneumophila, and especially to explore the role of proteins “GGDEF/EAL” in virulence. GGDEF and EAL domains are found in enzymes able to synthesize (diguanylate cyclase, DGC) or degrade (phosphodiesterase, PDE) c-di-GMP, respectively. C-di-GMP is a bacterial second messenger which plays a key role in regulating main functions including motility, and virulence. L. pneumophila Lens contains 22 genes encoding GGDEF/EAL proteins and most of them are expressed simultaneously with genes encoding virulence factors. The enzymatic activities of the 22 GGDEF/EAL proteins of L. pneumophila Lens were assayed in vitro. Among the 10 proteins purified, 6 showed a DGC activity and 2 contained both activities. The role of the GGDEF/EAL proteins of L. pneumophila Lens on virulence was investigated. Inactivation of 5 genes and overexpression of 2 other genes led to a significant decrease in virulence. Moreover, DGC activity of at least two of these proteins is required for bacterial virulence. Finally, an original two-component system was identified comprising Lpl0330, a histidine kinase able to autophosphorylate on a new HisKA domain, and Lpl 0329, a protein with dual in vitro DGC/PDE activity. Phosphorylation of Lpl0329 led to a decrease in its DGC activity only, giving the first example of a bifunctional enzyme which modulates synthesis and turnover of c-di-GMP in response to phosphorylation (Levet-Paulo et al., 2011).

c-di-GMP stellt einen wichtigen Regulator bei der Kontrolle von Motilität, Virulenz und der Biofilmbildung in Bakterien dar. Aufgrund der Vielfalt c-di-GMP-synthetisierender (Diguanylatzyklasen, DGC) bzw. abbauender (Phosphodiesterasen, PDE) Enzyme, c-di-GMP-bindender Effektoren und zellulärer Antworten etablierte sich die Theorie paralleler Regulationsmodule, die sich aus DGC, PDE, Effektor und Zielmolekül zusammensetzen und spezifische Prozesse wie die Cellulose-Synthese kontrollieren. Während die Aktivierung dieser durch c-di-GMP bereits verstanden und damit Effektor und Zielmolekül bekannt sind, konnten dem Modul bisher keine spezifisch wirkenden DGCs und PDEs zugeordnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Proteine DgcC und PdeK in E. coli spezifisch auf die Cellulose-Synthese in Makrokolonie-Biofilmen wirken und ein solches c-di-GMP-Modul bilden. Beide sind aktiv an der Umsetzung von c-di-GMP beteiligt und mittels Interaktionen Teil eines Multi-Protein-Komplexes, der auch die Cellulose-Synthase-Einheiten BcsA und BcsB umfasst. Aufgrund dieser Co-Lokalisation können DgcC und PdeK die c-di-GMP-Konzentration in unmittelbarer Umgebung zum c-di-GMP-bindenden Effektor BcsA kontrollieren. DgcC-PdeK somit stellen das erste Regulationsmodul dar, welches durch lokalisierte Synthese und Abbau von c-di-GMP wirkt und dessen Spezifität aufgrund multipler Protein-Interaktionen gewährleistet wird. 2011 kam es in Mitteleuropa zu einem schweren Ausbruch von Shiga-Toxin-produzierenden E. coli O104:H4, in dessen Verlauf fast 4000 Menschen erkrankten und etwa 20% ein Hämolytisch-urämisches Syndrom entwickelten. Die in dieser Arbeit erlangten Ergebnisse legen nahe, dass die einzigartige Kombination aus Toxin-Produktion und Biofilm-assoziierter Eigenschaften – das Potential zur c-di-GMP-Akkumulation (TL Povolotsky), verstärkte CsgD-Synthese und vor allem keine Cellulose-Produktion– möglicherweise zur erhöhten Virulenz dieses E. coli O104:H4 beitragen. / c-di-GMP represents an important regulator in the control of motility, virulence and biofilm formation. Due to the multiplicity of c-di-GMP-forming (diguanylate cyclases, DGCc) and -degrading (phosphodiesterases, PDEs) enzymes, c-di-GMP-binding effectors and cellular outputs, the theory of parallel existing c-di-GMP-regulation modules was established. Such a module consists of a DGC, a PDE, an effector and a target controlling a specific cellular output such as cellulose synthesis. Whereas the activation of cellulose synthesis is well understood, and therefore effector and target molecule are known, so far no DGC or PDE has been associated with the cellulose-specific c-di-GMP-module. Within the framework of this work it was shown that DgcC and PdeK act specifically on the regulation of cellulose synthesis in macrocolony biofilms, thus forming a c-di-GMP module. Both proteins are enzymatically active concerning c-di-GMP metabolism and through protein-interactions part of a multi-protein-complex, which includes the cellulose synthase-subunits BcsA and BcsB, too. Due to this co-localisation DgcC and PdeK can control the c-di-GMP-concentration in close proximity to the c-di-GMP-binding cellulose-synthase BcsA. Therefore, DgcC-PdeK represents the first signalling module, which acts through local c-di-GMP-synthesis and -degradation and controls specifically cellulose because of multiple protein-interactions with the synthase-complex. In 2011 a serious outbreak of shiga toxin producing E. coli O104:H4 occurred in Middle Europe with nearly 4000 patients of whom approximately 20% developing haemolytic uraemic syndrome. The results obtained in this study suggest that a unique combination of shiga toxin production and biofilm-associated properties – the potential of c-di-GMP accumulation (see PhD Thesis T. L. Povolotsky), enhanced CsgD-synthesis at 37°C and especially no cellulose production – potentially contribute to the enhanced virulence of E. coli O104:H4.

Legionella pneumophila est un pathogène intracellulaire, agent de la Légionellose, et dont le réservoir dans l'environnement est constitué d'amibes aquatiques comme Acanthamoeba castellani. Mes objectifs de thèse étaient l'identification de mécanismes moléculaires contrôlant la virulence et la multi-résistance chez L. pneumophila, et en particulier l'exploration du rôle des protéines " GGDEF/EAL ". Les domaines GGDEF et EAL sont retrouvés dans des enzymes permettant respectivement de synthétiser (diguanylate cyclase, DGC) ou dégrader (phosphodiestérase, PDE) le di-GMP cyclique, un second messager spécifique des bactéries, qui participe au contrôle de fonctions clés comme la virulence ou la mobilité. L. pneumophila Lens possède 22 gènes codant des protéines GGDEF/EAL, et dont la plupart sont exprimés lorsqu'elle est dans sa phase virulente. L'activité enzymatique des 22 protéines " GGDEF/EAL " a été analysée in vitro : sur 10 protéines purifiées, 6 sont des DGC, dont 2 présentes une double activité DGC/PDE. L'inactivation de 5 gènes des 22 gènes et la surexpression de 2 autres entrainent une baisse de la virulence vis-à-vis d'A. castellanii. De plus, nous avons montré que l'activité DGC d'au moins 2 de ces protéines est requise lors du cycle infectieux. Enfin, nous avons décrit un système à deux composants original comprenant l'histidine kinase (HK) Lpl0330, capable de s'autophosphoryler sur un nouveau domaine HisKA, retrouvé dans 64 autres HK potentielles, et Lpl0329, le premier régulateur de réponse à double activité enzymatique caractérisé, dont la phosphorylation conduit à moduler le taux de di‐GMPc en favorisant une de ses deux activités (Levet-Paulo et al., 2011).