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Structural and functional studies of proteins involved in phage-host interactionsZhu, Xiaojun 24 October 2024 (has links)
Cette thèse comprend deux sujets.
La première partie est en termes de système de défense bactérien.
Les procaryotes et les eucaryotes possèdent des gènes de résistance dans leur génome, qui peuvent être soit innés soit acquis, protégeant contre les infections virales. Au niveau de la population, l'infection abortive (Abi) sert de mécanisme de défense immunitaire inné contre l'invasion par le phage. Les gènes antiviraux AbiV sont prévalents dans les génomes bactériens et présentent des caractéristiques diverses en termes d'évolution et de composition génomique. Les systèmes Abi sont considérés comme des traits altruistes, car les cellules infectées se suicident pour empêcher le cycle lytique du phage et protéger leur communauté. La protéine AbiV appartient à la super famille de liaison aux nucléotides des eucaryotes et des procaryotes (HEPN) et peut fonctionner comme un type d'endoribonucléase. On peut la trouver dans de nombreuses bactéries, dont *Lactococcus lactis, L. paracamosus, Streptococcus pneumoniae* et *Streptococcus oralis*. Dans cette étude, nous avons utilisé le système AbiV de *Lactococcus lactis* non pathogène comme organisme modèle, qui confère une résistance aux phages lactococciques virulents du genre Skunavirus. Cependant, la protéine AbiV a une séquence unique, et aucun homologue structurel est connu. De plus, le mécanisme moléculaire de son activité antiphage reste flou. Notre exploration du système AbiV de *Lactococcus* a révélé un nouveau duo : *abiV1* et *abiV2*, des acteurs essentiels dans son rôle de système de toxine-antitoxine de type III. La toxine, AbiV (encodé par *abiV1*), émerge comme une RNase au sein de la super famille HEPN, distinguée par le motif Rx$\mathsf{_{4-6}}$H. À travers des essais *in vivo* et de la spectrométrie de masse, nous avons observé l'expression d'AbiV indépendamment de la présence de phages, tandis que des expériences *in vitro* ont élucidé sa dégradation sélective de l'ARN ribosomal, laissant l'ARNm intact. En revanche, *abiV2*, le composant antitoxine, fonctionne comme une molécule d'ARN, contrecarrant l'activité nucléase de AbiV1. L'examen structural d'AbiV révèle une zone chargée positivement à travers son dimère, cruciale pour l'ancrage des molécules d'ARN. De plus, notre investigation souligne le rôle indispensable de la région N-terminale d'AbiV (acides aminés 1 à 23) dans son activité de RNase ; un AbiV tronquée et dépourvue de ce segment a présenté des états conformationnels incompatibles avec la liaison à l'ARN. Cette étude offre de nouvelles perspectives sur la dynamique opérationnelle du système antiviral AbiV.
La deuxième partie : les endolysines.
L'étude des endolysines de bactériophages. Les endolysines, également connues sous le nom d'enzymes muralytiques ou lysines, sont une classe d'enzymes produites par les bactériophages (virus qui infectent les bactéries) dans le cadre de leur cycle de réplication. Ces enzymes jouent un rôle crucial dans le cycle de vie des phages en facilitant la libération des nouvelles particules virales formées à partir des cellules bactériennes hôtes. La fonction principale des endolysines est de dégrader la couche de peptidoglycane, qui est un composant structurel majeur des parois cellulaires bactériennes. La couche de peptidoglycane fournit intégrité structurelle et protection aux cellules bactériennes, et sa dégradation par les endolysines conduit à la lyse ou à la désintégration de la paroi cellulaire. Cela entraîne finalement l'éclatement de la cellule bactérienne et la libération des particules phagiques nouvellement répliquées, leur permettant d'infecter et de se propager dans d'autres cellules bactériennes. Les endolysines se composent généralement d'un ou plusieurs domaines fonctionnels qui travaillent ensemble pour dégrader la couche de peptidoglycane des parois cellulaires bactériennes. Ces domaines contribuent à la structure et à la fonction globales de l'enzyme. Les domaines spécifiques présents dans une endolysine peuvent varier en fonction du phage et de l'hôte bactérien qu'ils ciblent. Dans cette étude, nous avons exploré l'activité lytique et les caractéristiques structurelles de deux endolysines : DAH67913.1 (DAH67), provenant du groupe de bactériophages *Caudoviricetes* sp. identifié à partir des métagénomes humains, et son homologue proche Lys1358, qui utilise *Lactococcus lactis* comme hôte. Notre analyse par cristallographie a révélé des similitudes remarquables dans les structures des deux endolysines, caractérisées par une architecture partagée comprenant un domaine CHAP enzymatiquement actif à l'extrémité N-terminale et un domaine de liaison à la paroi cellulaire, SH3b, à l'extrémité C-terminale. Notamment, contrairement aux autres domaines CHAP, ceux de Lys1358 et DAH67 étaient dépourvus de calcium lié, ce qui a conduit à l'observation sans précédent de conformations inactives distinctes en raison de l'absence de stabilisation d'un motif de type "EF-hand" par cet ion. Ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur le rôle régulateur du calcium au niveau moléculaire. De plus, nous avons observé que le Zn2+ inhibe l'activité lytique en se liant aux résidus catalytiques C29 et H89 au sein du domaine CHAP. En outre, nos analyses structurelles ont fourni des informations sur la façon dont le domaine SH3b reconnaît le dipeptide D-Ala-D-Ala, un composant vital du peptidoglycane de la paroi cellulaire de *L. lactis*, à travers des interactions conservées. Les études de mutation ont en outre corroboré l'importance des résidus catalytiques et de la poche de liaison au D-Ala-D-Ala dans la fonctionnalité de ces endolysines. De plus, notre comparaison du mode de liaison de la vancomycine avec le motif D-Ala-D-Ala du peptidoglycane a révélé des mécanismes de reconnaissance distincts employés par le domaine SH3b et les antibiotiques glycopeptidiques. Collectivement, nos découvertes offrent de nouvelles perspectives sur les relations structure-fonction complexes inhérentes à cette famille d'endolysines, fournissant des informations précieuses sur leurs mécanismes d'action et leurs applications potentielles en biotechnologie et en médecine. / **This thesis includes two stories.**
**Part 1.**
Prokaryotes and eukaryotes possess resistance genes in their genomes, which can be either innate or acquired, protecting against viral infections. At the population level, abortive infection (Abi) serves as one such innate immune defense mechanism against phage invasion. The AbiV antiviral system is prevalent in many bacterial genomes and exhibits diverse characteristics in terms of evolution and genomic composition. Abi systems are considered altruistic traits, as infected cells commit suicide to prevent the phage lytic cycle and protect their community. The protein AbiV belongs to the higher eukaryotic and prokaryotic nucleotide-binding (HEPN) superfamily and may function as a type of endoribonuclease. It can be found in many bacteria, including *Lactococcus lactis, Lacticaseibacillus paracamosus, Streptococcus pneumoniae* and *Streptococcus oralis*. In this study, we used the non-pathogenic *Lactococcus lactis* AbiV system as a model organism, which provides resistance to virulent lactococcal phages belonging to the Skunavirus genus. However, the AbiV protein has a unique sequence, and no structural homologs is available to date. The molecular mechanism of its anti-phage activity also remains unclear. Our exploration of the *Lactococcus* AbiV system has unveiled a novel duo: *abiV1* and *abiV2*, pivotal players in their role as a type III toxin-antitoxin system. The toxin, AbiV (encoded by *abiV1*), emerges as an RNase within the HEPN superfamily, distinguished by the Rx$\mathsf{_{4-6}}$H motif. Through *in vivo* assays and mass spectrometry, we observed AbiV expression irrespective of phage presence, while *in vitro* experiments elucidated its selective degradation of ribosomal RNA, leaving mRNA untouched. Conversely, *abiV2*, the antitoxin component, functions as an RNA molecule, thwarting AbiV's nuclease activity. Structural examination of AbiV reveals a significant positively charged area across its dimer, pivotal for RNA molecule anchoring. Furthermore, our investigation underscores the indispensable role of the N-terminal region (amino acids 1 to 23) of AbiV in its RNase activity; a truncated AbiV lacking this segment exhibited conformational states incompatible with RNA binding. This study offers fresh insights into the operational dynamics of the antiviral AbiV system.
**Part 2.**
**The study of bacteriophage endolysins**. Endolysins, also known as lysins, are a class of enzymes produced by bacteriophages as part of their replication cycle. These enzymes play a crucial role by facilitating the release of newly formed viral progeny from the host bacterial cells. The primary function of endolysins is to degrade the peptidoglycan layer, which is a major structural component of bacterial cell wall. The peptidoglycan layer provides structural integrity and protection to bacterial cell, and its breakdown by endolysins leads to the lysis or disintegration of the cell wall. This ultimately results in the bursting of the bacterial cell and the release of newly phage particles, allowing them to infect and propagate in other bacterial cells. Endolysins typically consist of functional domains that work together to degrade the peptidoglycan layer. These domains contribute to the enzyme's overall structure and function. The specific domains present in an endolysin can vary depending on the phage and the targeted bacterial host. In this study, we explored the lytic activity and structural characteristics of two endolysins: DAH67913.1(DAH67), originating from a bacteriophage (*Caudoviricetes* class) identified in human metagenomes, and its close homolog Lys1358, from the virulent phage 1358 which infects specific Lactococcus strains. Our analysis using crystallography unveiled remarkable similarities in the structures of both endolysins, characterized by a shared architecture featuring an enzymatically active N-terminal CHAP domain and a C-terminal cell-wall binding domain, SH3b. Notably, unlike other CHAP domains, those of Lys1358 and DAH67 were devoided of bound calcium, resulting in the unprecedented observation of distinct inactive conformations due to the absence of stabilization of an "EF-hand-like" motif by this ion. These findings shed new light on the regulatory role of calcium at the molecular level. Moreover, we observed that Zn$\mathsf{^{2+}}$ inhibited the lytic activity by binding to the catalytic residues C29 and H89 within the CHAP domain. Additionally, our structural analyses provided insights into how the SH3b domain recognizes the dipeptide D-Ala-D-Ala, a vital component of the lactococcus cell wall peptidoglycan, through conserved interactions. Mutation studies further corroborated the significance of catalytic residues and the D-Ala-D-Ala binding pocket in the functionality of these endolysins. Furthermore, our comparison of the binding mode of vancomycin with the peptidoglycan D-Ala-D-Ala moiety revealed distinct recognition mechanisms employed by the SH3b domain and glycopeptide antibiotics. Collectively, our findings offer novel perspectives on the intricate structure-function relationships inherent in this family of endolysins, providing valuable insights into their mechanisms of action and potential applications in biotechnology and medicine.
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