Biogenèse d'un métabolosome bactérien pour l'utilisation du propanediol

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2920 (2022) Citer cet article

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Les métabolosomes bactériens sont une famille d'organites protéiques chez les bactéries. Élucider comment des milliers de protéines s'auto-assemblent pour former des métabolosomes fonctionnels est essentiel pour comprendre leur importance dans le métabolisme et la pathogenèse cellulaire. Nous étudions ici la biogenèse de novo des métabolosomes utilisant le propanediol (Pdu) et caractérisons les rôles des constituants clés dans la génération et le positionnement intracellulaire des métabolosomes fonctionnels. Nos résultats démontrent que le métabolosome Pdu entreprend à la fois les voies d'assemblage « Shell first » et « Cargo first », contrairement à l'analogue structurel du β-carboxysome qui implique uniquement la stratégie « Cargo first ». Les assemblages de coques et de cargaisons se produisent indépendamment aux pôles des cellules. Le noyau de cargaison interne est formé par l’assemblage ordonné de plusieurs complexes enzymatiques et présente des propriétés semblables à celles d’un liquide au sein de l’architecture des métabolosomes. Nos résultats fournissent un aperçu mécaniste des principes moléculaires qui régissent l’assemblage des métabolosomes bactériens et élargissent notre compréhension de la biogenèse des organelles de type liquide.

La compartimentation des voies métaboliques au sein des cellules eucaryotes et procaryotes améliore et régule l’énergie et le métabolisme1. Contrairement aux eucaryotes qui utilisent des organites liés aux lipides pour remplir des fonctions métaboliques spécifiques, de nombreuses bactéries ont développé des organites protéiques, appelés microcompartiments bactériens (BMC), qui permettent aux processus métaboliques clés de fonctionner dans le cytoplasme des cellules bactériennes2,3,4. Les BMC sont constitués d’une enveloppe protéique monocouche qui encapsule à la fois les enzymes et les métabolites. La coque polyédrique semblable à un virus sert de barrière physique pour contrôler le passage des métabolites et facilite le catabolisme dans un micro-environnement séquestré5,6,7,8. Les caractéristiques structurelles et d’assemblage hautement évoluées des BMC permettent aux organites bactériens spéciaux de jouer un rôle central dans la fixation du CO2, l’infection et l’écologie microbienne chez diverses espèces bactériennes2,9,10.

Les BMC les mieux caractérisés sont les carboxysomes (BMC anabolisants, y compris les α- et β-carboxysomes basés sur les types de Rubisco encapsulés), qui améliorent la fixation du CO2 dans toutes les cyanobactéries et de nombreux chimioautotrophes11,12,13,14. En revanche, le microcompartiment d’utilisation du 1,2-propanediol (1,2-PD) (Pdu BMC) est un modèle pour les BMC cataboliques ou métabolosomes. Une étape critique de la pathogenèse de Salmonella est la colonisation du tractus gastro-intestinal des mammifères, qui nécessite le catabolisme d'un certain nombre de sources de carbone, dont le 1,2-PD15. Le Pdu BMC joue un rôle essentiel dans la dégradation du 1,2-PD au cours de la pathogenèse gastro-intestinale et favorise la fitness bactérienne dans des niches environnementales anoxiques spécifiques16,17,18,19,20,21,22.

L'architecture des BMC Pdu est construite par plus de dix mille sous-unités protéiques de 18 à 20 types différents via l'auto-assemblage intrinsèque des protéines . D’après les connaissances actuelles, la coquille Pdu BMC de la bactérie pathogène Salmonella enterica sérotype Typhimurium (S. Typhimurium) contient neuf types de paralogues protéiques : PduA, PduB, PduB′, PduM, PduN, PduJ, PduK, PduT et PduU27,28. . La protéine hexamérique PduJ est la protéine de coque la plus abondante au sein du Pdu BMC chez S. Typhimurium LT2, suivie de PduA et PduBB′24. PduB et PduB' sont codés par des gènes qui se chevauchent, et PduB possède une extension N-terminale de 37 acides aminés qui est absente de PduB′29. La protéine pentamérique PduN occupe les sommets de la coque polyédrique 30. PduBB', PduA ou PduJ et PduN sont les composants de coque essentiels à la formation et à la structure du Pdu BMC . PduM est une protéine structurale, beaucoup moins abondante que PduN24 et dont la fonction est inconnue au sein du Pdu BMC28. PduK est une autre protéine de coquille mineure au sein du Pdu BMC24.