Une mitrailleuse bactérienne à huit canons pour sécréter et glisser

Les bactéries ont développé des systèmes de sécrétion pour transporter vers le milieu extérieur ou dans une cellule cible des effecteurs. Le système de sécrétion de type IX (T9SS) est capable de transporter des toxines chez le pathogène buccal humain Porphyromonas gingivalis, ou des adhésines chez la bactérie Flavobacterium johnsoniae. Les scientifiques ont déterminé l’architecture entière du T9SS, révélant de multiples pores de sécrétion concentrés dans une structure circulaire de 50 nm de diamètre. Ils montrent également qu’un moteur moléculaire utilise les protons pour énergiser la sécrétion et le mouvement des adhésines. Ces travaux sont publiés dans les revues PNAS et PLOS Biology.

Les bactéries du phylum des Bacteroidetes sont présentes dans toutes les niches écologiques sur Terre. Elles sont souvent associées aux microbiotes des animaux, et certaines d’entre elles sont des pathogènes majeurs de l’homme et des animaux. Pourtant, les bactéries appartenant aux Bacteroidetes sont moins bien étudiées que d’autres bactéries. Il y a un peu plus de 10 ans, on découvrait que beaucoup d’entre elles utilisent une machinerie multi-protéique appelée le système de sécrétion de type IX (T9SS) pour sécréter des effecteurs à leur surface ou dans le milieu environnant. Dans le cas des bactéries pathogènes, ces effecteurs sont majoritairement des toxines qui vont cibler les tissus cellulaires eucaryotes. Pour certaines bactéries, le T9SS permet également de transporter des adhésines qui, une fois à la surface, se déplacent rapidement d’un pôle à l’autre de la bactérie en suivant une hélice. Grâce à ces adhésines dynamiques, les bactéries s’attachent et glissent sur des surfaces solides comme le verre. On parle de motilité par gliding.

La sécrétion des adhésines et leur dynamique de surface chez la bactérie modèle Flavobacterium johnsoniae nécessitent le complexe GldLM au cœur du T9SS et inséré dans la membrane interne. Les scientifiques montrent qu’il s’agit d’un moteur moléculaire utilisant le gradient de proton comme "fuel". Le passage des protons de part et d’autre de la membrane interne module l’état de protonation d’acides aminés conservés dans la protéine GldL, provoquant des modifications dans les interactions entre GldL et GldM qui se répercutent sur la conformation du domaine périplasmique de GldM. L’étude de la localisation des complexes GldLM par microscopie de fluorescence suggère qu’un réseau de moteurs moléculaires GldLM pourrait décorer une hélice et ainsi fournir l’énergie nécessaire au mouvement des adhésines le long de cette l’hélice.

Porphyromonas gingivalis est responsable d’infections gingivales qui, lorsqu’elles se transforment en parodontites, peuvent entraîner d’autres pathologies graves allant du diabète à l’arthrite, voire même à la maladie d’Alzheimer. En utilisant la cryo-tomographie in situ, les chercheurs ont déterminé l’architecture d’un T9SS entier chez cette bactérie.  Au cœur de cette structure, 18 moteurs moléculaires PorLM (complexe homologue à GldLM) sont ancrés dans la membrane interne et interagissent avec un anneau, composé des protéines PorK et PorN, associé à la membrane externe, formant ainsi une cage cylindrique dans le périplasme. En haut de cette mégastructure, 8 protéines Sov à travers lesquelles les effecteurs passent la membrane externe, sont disposées le long de cet anneau. Remarquablement, on peut directement observer les changements de conformation du moteur moléculaire (dans PorM) en réponse au gradient de proton et les effets induits sur la conformation de l’anneau PorKN. Les scientifiques proposent que les changements de conformation de GldM/PorM en réponse au gradient de proton font tourner l’anneau PorKN pour alimenter continuellement les pores Sov en effecteurs, à l’image du barillet d’un revolver ou d’une mitrailleuse.

© Bo Hu, Richard Lamont, Eric Cascales, Thierry Doan

Figure : Le système de sécrétion de type IX utilise le gradient de proton pour le transport et le mouvement de l’adhésine SprB à la surface de Flavobacterium johnsoniae. Représentation schématique du T9SS chez F. johnsoniae. GldL et GldM forment un moteur moléculaire ancré dans la membrane interne. A gauche : en présence du gradient de proton, la région périplasmique de GldM changerait de conformation ou effectuerait un mouvement rotatif, entraînant la rotation de l’anneau GldKN ancré à la membrane externe pour permettre la sécrétion de l’adhésine SprB, reconnu grâce au signal d’adressage appelé CTD (en violet). A la surface, le CTD est clivé et SprB se place selon un mécanisme inconnu mais toujours dépendant du moteur GldLM. A droite : en l’absence de gradient de proton, le moteur ne change pas de conformation et le T9SS n’est plus actif.

Pour en savoir plus :
Dynamic proton-dependent motors power type IX secretion and gliding motility in Flavobacterium.
Vincent MS, Comas Hervada C, Sebban-Kreuzer C, Le Guenno H, Chabalier M, Kosta A, Guerlesquin F, Mignot T, McBride MJ, Cascales E, Doan T.
PLoS Biol. 25 mars 2022. doi: 10.1371/journal.pbio.3001443.

A unique bacterial secretion machinery with multiple secretion centers.
Song L, Perpich DJ, Wu C, Doan T, Potempa J, Christie JP, Cascales E, Lamont JR, Hu B. Proceedings of the National Academy of Sciences. 26 avril 2021. doi.org/10.1073/pnas.2119907119

Contact

Thierry Doan
Chargé de recherche CNRS

 

Laboratoire

Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Macromoléculaires
Institut de Microbiologie de la Méditerranée (CNRS, Aix-Marseille Université)
31 Chemin Joseph Aiguier
13009 Marseille, France