Détournement de la Détournement de la machinerie cellulaire par machinerie cellulaire par les appareils de sécrétion les appareils de sécrétion
de type IIIde type III
Master 2 ICMV, 25 septembre 2008
I. Virlogeux-Payant, INRA de Tours
PlanPlan
Rappels sur les systèmes de sécrétion chez les Rappels sur les systèmes de sécrétion chez les bactéries Gram négativesbactéries Gram négatives
Les appareils de sécrétion de type IIILes appareils de sécrétion de type III
La membrane des bactéries La membrane des bactéries à Gram négatif/Gram positifà Gram négatif/Gram positif
La membrane des bactéries à La membrane des bactéries à Gram négatifGram négatif
Les systèmes de sécrétion chez les bactéries Gram -
2 étapes 1 étape
Sec ou tat-dependent secretion Sec-independent secretion
Type V
Franchissement de la membrane interne : exportation
Colin Robinson & Albert Bolhuis , Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2001
Processing to mature size Processing to mature sizeAND Folding
Peptide signal : en N-term de la protéine, motif twin-arginin pour le système Tat, clivé
Le système Sec
• Système essentiel
Membrane cytoplasmique
Co-traduction Post-traduction
ribosome
SRP
Protéine chaperon
cytoplasmeSecA
SecYEG
FtsY
Stephenson, Mol. Membr. Biol., 2005
Les systèmes de sécrétion de type V
Système de sécrétion de type II
• 12-16 protéines : membrane interne et externe
• Modèle du piston
• Exemple : pullulanase de K. oxytoca
(Henderson, 2004, Microb. Mol. Biol. Rev.)
IM
OM
péri
cyto
Les systèmes de sécrétion chez les bactéries Gram -
2 étapes 1 étape
Sec ou tat-dependent secretion Sec-independent secretion
Type V
Système de sécrétion de type IV
• Sécrétion en 1 étape (complexe protéine-ADN A. Tumefaciens) ou 2 étapes (toxine pertussique)
• Similaire au pilus pour la conjugaison bactérienne
• Transfert d’ADN ou de protéines de bactérie à bactérie ou bactérie/cellule eucaryote hôte Contact dépendant(sauf toxine pertussique)
(Henderson, 2004, Microb. Mol. Biol. Rev.)
Effector molecule
Système de sécrétion de type I
• 3 parties : • IM : transporteur ABC• périplasme : protéine de liaison IM-OM• OM : une protéine (ex : TolC)
•Signal de sécrétion en C-term non clivé Pas de peptide signal en N-term
• Translocation dans un état non replié
•Exemple : Hémolysine de E. coli
(Henderson, 2004, Microb. Mol. Biol. Rev.)
Effector molecule
Système de sécrétion de type VI
(Filloux et al., 2008, Microbiology)
• 12 à 15 protéines dont DotU et IcmF-like
• Peptide signal (Sec) présent ou NON
• Favoriserait la persistance des bactéries pathogènes dans les cellules
• Exemple : T6SS de Vibrio cholerae
PlanPlan
Rappels sur les systèmes de sécrétion chez les Rappels sur les systèmes de sécrétion chez les bactéries Gram négativesbactéries Gram négatives
Les appareils de sécrétion de type IIILes appareils de sécrétion de type III
• Injection de protéines effectricesCytoplasme bactérien cytosol cellule eucaryote
• Détournement de la machinerie cellulaire eucaryote au profit de la bactérie : facteurs de virulence
• Exclusivement chez les bactéries à Gram négatif et conservé
- pathogènes respiratoires, intestinaux- pathogènes opportunistes, extracellulaires,intracellulaires obligatoires ou non… - phytopathogènes, pathogènes animaux- bactéries non pathogènes (Rhizobium)
• Gènes rassemblés en clusters : - Ilôts de pathogénicité : transfert horizontal
• Jusqu’à 4 T3SS différents chez une même bactérie
Système de sécrétion de type III (T3SS)
IM
OM
Eukaryoticcell
membrane
Support génétique : les ilôts de pathogénicité
Grande région d’ADN (10 à 200 kb) présente chez un pathogène mais absente chez des bactéries non-pathogènes proches dans l’évolution : chromosome ou plasmide
%G+C souvent distinct de celui du reste du génôme
Loci génétiques codant les T3SS très similaires à l’intérieur d’une
espèce et également chez des espèces ou des genres bactériens éloignés
Venkatesan MM et al, Infect Immun, 69:3271, 2001
Li J, et al, PNAS, 92:7252, 1995
Au sein de 2 genres bactériens différents
• Injection de protéines effectricesCytoplasme bactérien cytosol cellule eucaryoteActivation complète requiert le contact avec la cellule hôte
• Détournement de la machinerie cellulaire eucaryote au profit de la bactérie
• Exclusivement chez les bactéries à Gram négatif et conservé
- pathogènes respiratoires, intestinaux- pathogènes opportunistes,
intracellulairesobligatoires… - phytopathogènes, pathogènes
animaux- bactéries non pathogènes (Rhizobium)
• Gènes rassemblés en clusters : transfert horizontal
• Jusqu’à 4 T3SS différents chez une même bactérie
Système de sécrétion de type III (T3SS)
IM
OM
Eukaryoticcell
membrane
T3SS : systèmes complexes
20 à 40 protéines impliquées– Protéines de structure du T3SS : needle
complex– Protéines permettant la translocation– Chaperonnes– Protéines effectrices– Régulateurs
Doivent délivrer les protéines dans la cellule eucaryote au bon endroit et au bon moment
IM
OM
Eukaryoticcell
membraneTranslocon
Needle complex
Prot effect.
Chaperonne
Hansen-Wester et Hensel, 2001
T3SS-2codé par SPI-2
T3SS-1Codé par SPI-1
T3SS flagellaire
Entrée
Survie dans vacuole d’endocytose
MobilitéAdhésion
T3SS chez Salmonella
Comparaison système de sécrétion-flagelle
T3SS-1
T3SS-2
Hansen-Wester & Hensel, 2001
Chez Salmonella
TTSS : systèmes complexes
20 à 40 protéines impliquées– Protéines de structure du TTSS : needle
complex– Protéines permettant la translocation– Chaperonnes– Protéines effectrices– Régulateurs
Doivent délivrer les protéines dans la cellule eucaryote au bon endroit et au bon moment
IM
OM
Eukaryoticcell
membraneTranslocon
Needle complex
Prot effect.
Chaperonne
Structure du « Needle Complex » du TTSS-1
Copyright ©2000 by the National Academy of Sciences
Kimbrough, Tyler G. and Miller, Samuel I. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 11008-11013
PrgH PrgK
InvG
PrgI
InvJ
Tétramères de PrgH
Protéines impliquées dans la translocation (pore)
Trends Microbiol 10:186, 2002
IM
OM
Eukaryoticcell
membrane
Les chaperonnes• Interaction avec les protéines effectrices sécrétées par les T3SS dans le cytoplasme de la bactérie et avec les protéines du translocon
• Rôles :• Facilitent la sécrétion de leur substrat (effecteur, composant T3SS, régulateurs) en les stabilisant• maintien dans une conformation compétente pour la sécrétion• empêcher leur association prématurée dans le cytoplasme (SipBC/SicA)• Notion de hiérarchie de sécrétion des effecteurs
• 3 classes de chaperonnes :• classe Ia : lie un seul effecteur ou composant du T3SS (SicP par ex.)• classe Ib : peuvent se lier à plusieurs effecteurs (InvB par ex.)• classe II : liaison aux protéines du translocon (SycD, SicA)
• Similarité de séquence faible
• Caractéristiques conservées : masse moléculaire (~15 kDa), pI~5, 1 feuillet b et 3 hélices a, gènes généralement localisés à proximité d’un gène codant un effecteur
Les protéines effectrices
• Taille, structure, fonction très variables de la peste chez l’homme au feu bactérien des
arbres fruitiers
• Gènes présents sur cluster « T3SS » ou ailleurs sur le génôme (phages notamment)
• Fonction directe anti-hôte OU « aides » à la sécrétion et translocation des effecteurs anti-hôte
Manipuler la physiologie, les fonctions cellulaires de l’hôte
• Comment ?• Similarité avec une protéine eucaryote et même fonction• Séquence primaire différente mais conformation et fonction identique à une protéine eucaryote• Fonction identique à une protéine eucaryote même si structure différente
Peuvent présenter des similarités de séquences avec protéines effectrices d’autres genres bactériens
– Fonction identiqueEx : - ExoS de P. aeruginosa et YopE de Yersinia
– Fonction différente» SptP de S. Typhimurium et YopE-YopH de
Yersinia» cas particulier : SipB de S. Typhimurium et
IpaB de Shigella
Les protéines effectrices
- empêcher la phagocytose (Yersinia spp.)
- effet cytotoxique (Yersinia)
- Lyser la vacuole d’endocytose (Shigella, Ipa)
- apoptose du macrophage (Shigella, Salmonella)
- favoriser l’entrée dans les cellules (Shigella, Salmonella par ex.)
- permettre la survie et multiplication intracellulaire (Salmonella par ex.)
- attachement/effacement E. coli EPEC
- Avirulence et réponse hypersensible (Erwinia)
- Suppression voie d’activation transcriptionnelle des microRNA
Exemples d’effets des effecteurs
YopH YopE
Sip
Intimine/Tir
IpaB
T3SS-1 chez Salmonella :Entrée dans les cellules épithéliales
intestinales
D’après Ginocchio et al, 1994D’après Ginocchio et al, 1994
Réarrangements du cytosquelette
Coopération de SipA et SipC dans l’induction des réarrangements de
l’actine
McGhie et al., 2001McGhie et al., 2001
T3SS-2 :Survie et multiplication dans les
cellules
http://www.finlaylab.biotech.ubc.ca/research_projects/Salmonella.htmlhttp://www.finlaylab.biotech.ubc.ca/research_projects/Salmonella.html
Important pour la dissémination systémique de l’infection
SpiC exclut TassC de la vacuole d’endocytose
Lee et al., 2002Lee et al., 2002
Lee et al., 2002
Survie de Salmonella en fonction de l’expression de TassC
Avirulence et «hypersensitive response» chez les bactéries
phytopathogènes
Plantes sensibles
Maladie
Plantes résistantesErwinia
wt
tampon
Mutants type III
Mutants complémentés
Suppression de l’activation transcriptionnelle des microRNAs
Navarro et al., Science, 2008
Schkora et al., Plos One, 2008
Salmonella : un pathogène de plante
Régulation de l’expression des T3SS
et de la sécrétion
Problème : Précision spatiale et temporelle de la sécrétion des protéines effectrices
Solutions : – Utilisation de systèmes de sécrétion multiples – Contrôle transcriptionnel :
» Notion de hiérarchie dans l’assemblage des T3SS» Synthèse des protéines effectrices à effet tardif
– Contrôle post-traductionnel
Appareilde sécrétion
Effecteurs
TTSS-1
Chaperons
Modèle simplifié de régulation de SPI-1
Régulateurs
InvF
HilAHilA
+
+
Transcription d’abord des gènes de structure puis des gènes codant les effecteurs
Mise en place d’abord du corps basal et du crochet puis transcription des gènes codant protéines du filament, mobilité et chimiotactisme
Sécrétion des effecteurs précoces IpaB et IpaC
Augmentation de chaperonnes libres (IpgC)
Co-activation de la transcription d’ipaH avec MxiE
Expression des effecteurs tardifs
Le taux de chaperonnes libres sert d’indicateur pour la bactérie
Host cell cytopl.
Bacterial cytopl.
Thomas et Finlay, 2003
Sécrétion hiérarchique des protéines
par les T3SS (2)
LcrQ
YopHSycH
Résumé
Les T3SS sont des systèmes de sécrétion multi-protéines qui connectent la bactérie avec la cellule hôte
Ils médient la sécrétion et la translocation des protéines du cytoplasme bactérien vers le cytosol de la cellule hôte
Les protéines effectrices détournent les fonctions cellulaires
Etude des T3SS importante pas uniquement pour la pathogénie bactérienne mais également pour la biologie cellulaire eucaryote
“Bacteria are excellent cell biologists”
Stanley Falkow