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