NAD+-dependent post-translational modification of Escherichia coli glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) is a multifunctional housekeeping protein reported to be a target of several covalent modifications in many organisms. In a previous study we showed that enterohemorragic (EHEC) and enteropathogenic (EPEC) Escherichia coli strains secrete GAPDH and that this protein binds to human plasminogen and fibrinogen. Here we report that GAPDH of these pathogens is ADP-ribosylated either in the cytoplasm or in the extracellular medium. GAPDH catalyzes its own modification which involves Cys149 at the active site. ADP-ribosylation of extracellular GAPDH may play important role in the interaction with the host as it has been proposed in other pathogens.

Étude des mécanismes moléculaires menant à la migration cellulaire associée à Rac1 et ARF6.

Le facteur de l’ADP-ribosylation 6 (ARF6) et Rac1 sont des petites protéines liant le GTP qui régulent plusieurs voies de signalisation comprenant le trafic de vésicules, la modification des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 et Rac1 agissent de concert afin de contrôler ces différents processus cellulaires restent méconnus. Dans cette étude, nous montrons que, dans les cellules HEK293, ARF6 et Rac1 sont retrouvées en complexe suite à la stimulation du récepteur à l’angiotensine. Des expériences réalisées in vitro nous indiquent que ces deux GTPases interagissent ensemble directement, et que ARF6 s’associe préférentiellement avec la forme inactive de Rac1. L’inhibition de l’expression de ARF6 par interférence à l’ARN entraîne une activation marquée en cellule de Rac1 via le facteur PIX, indépendamment de la stimulation d’un récepteur, ce qui provoque la migration non contrôlée des cellules. Les arrestines, protéines de régulation de la désensibilisation des récepteurs couplés aux protéines G, servent de protéines d’échafaudage pour Rac1 et ARF6, en interagissant directement avec les GTPases et en augmentant leur association stimulée par l’angiotensine. De plus, les arrestines permettent l’activation, en s’en dissociant, de la MAP Kinase p38 qui régule l’activité de ARF6 et son interaction précoce avec les arrestines. Mis ensemble, ces résultats montrent que les arrestines contrôlent l’activité de ARF6, en influençant p38. ARF6 joue un rôle inhibiteur sur l’activation basale de Rac1 pour permettre ensuite son recrutement et son activation dépendante de l’angiotensine. Cette étude nous a permis de préciser le mode de régulation mis en jeu dans l’initiation de la migration cellulaire, suite à l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G. Par le fait même, nous avons identifié certains des acteurs impliqués dans ce processus, offrant ainsi de nouvelles cibles pour le traitement des déséquilibres pathophysiologiques de la migration cellulaire.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

Rôle d'AmtB dans la régulation posttraductionnelle de la nitrogénase et le transport de l'ammonium chez Rhodobacter capsulatus

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Functional Diversity of Heat-labile Toxins (LT) Produced by Enterotoxigenic Escherichia coli

Heat-labile toxins (LTs) have ADP-ribosylation activity and induce the secretory diarrhea caused by enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) strains in different mammalian hosts. LTs also act as adjuvants following delivery via mucosal, parenteral, or transcutaneous routes. Previously we have shown that LT produced by human-derived ETEC strains encompass a group of 16 polymorphic variants, including the reference toxin (LT1 or hLT) produced by the H10407 strain and one variant that is found mainly among bacterial strains isolated from pigs (LT4 or pLT). Herein, we show that LT4 ( with six polymorphic sites in the A (K4R, K213E, and N238D) and B (S4T, A46E, and E102K) subunits) displays differential in vitro toxicity and in vivo adjuvant activities compared with LT1. One in vitro generated LT mutant (LTK4R), in which the lysine at position 4 of the A subunit was replaced by arginine, showed most of the LT4 features with an similar to 10-fold reduction of the cytotonic effects, ADP-ribosylation activity, and accumulation of intracellular cAMP in Y1 cells. Molecular dynamic studies of the A subunit showed that the K4R replacement reduces the N-terminal region flexibility and decreases the catalytic site crevice. Noticeably, LT4 showed a stronger Th1-biased adjuvant activity with regard to LT1, particularly concerning activation of cytotoxic CD8(+) T lymphocytes when delivered via the intranasal route. Our results further emphasize the relevance of LT polymorphism among human-derived ETEC strains that may impact both the pathogenicity of the bacterial strain and the use of these toxins as potential vaccine adjuvants.

Identification of novel components of NAD-utilizing metabolic pathways and prediction of their biochemical functions

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a ubiquitous cofactor participating in numerous redox reactions. It is also a substrate for regulatory modifications of proteins and nucleic acids via the addition of ADP-ribose moieties or removal of acyl groups by transfer to ADP-ribose. In this study, we use in-depth sequence, structure and genomic context analysis to uncover new enzymes and substrate-binding proteins in NAD-utilizing metabolic and macromolecular modification systems. We predict that Escherichia coli YbiA and related families of domains from diverse bacteria, eukaryotes, large DNA viruses and single strand RNA viruses are previously unrecognized components of NAD-utilizing pathways that probably operate on ADP-ribose derivatives. Using contextual analysis we show that some of these proteins potentially act in RNA repair, where NAD is used to remove 2'-3' cyclic phosphodiester linkages. Likewise, we predict that another family of YbiA-related enzymes is likely to comprise a novel NAD-dependent ADP-ribosylation system for proteins, in conjunction with a previously unrecognized ADP-ribosyltransferase. A similar ADP-ribosyltransferase is also coupled with MACRO or ADP-ribosylglycohydrolase domain proteins in other related systems, suggesting that all these novel systems are likely to comprise pairs of ADP-ribosylation and ribosylglycohydrolase enzymes analogous to the DraG-DraT system, and a novel group of bacterial polymorphic toxins. We present evidence that some of these coupled ADP-ribosyltransferases/ribosylglycohydrolases are likely to regulate certain restriction modification enzymes in bacteria. The ADP-ribosyltransferases found in these, the bacterial polymorphic toxin and host-directed toxin systems of bacteria such as Waddlia also throw light on the evolution of this fold and the origin of eukaryotic polyADP-ribosyltransferases and NEURL4-like ARTs, which might be involved in centrosomal assembly. We also infer a novel biosynthetic pathway that might be involved in the synthesis of a nicotinate-derived compound in conjunction with an asparagine synthetase and AMPylating peptide ligase. We use the data derived from this analysis to understand the origin and early evolutionary trajectories of key NAD-utilizing enzymes and present targets for future biochemical investigations.

Aeromonas exoenzyme T of Aeromonas salmonicida is a bifunctional protein that targets the host cytoskeleton

Type III protein secretion has been shown recently to be important in the virulence of the fish pathogen Aeromonas salmonicida. The ADP-ribosylating toxin Aeromonas exoenzyme T (AexT) is one effector protein targeted for secretion via this system. In this study, we identified muscular and nonmuscular actin as substrates of the ADP-ribosylating activity of AexT. Furthermore, we show that AexT also functions as a GTPase-activating protein (GAP), displaying GAP activity against monomeric GTPases of the Rho family, specifically Rho, Rac, and Cdc42. Transfection of fish cells with wild type AexT resulted in depolymerization of the actin cytoskeleton and cell rounding. Point mutations within either the GAP or the ADP-ribosylating active sites of AexT (Arg-143 as well as Glu-398 and Glu-401, respectively) abolished enzymatic activity, yet did not prevent actin filament depolymerization. However, inactivation of the two catalytic sites simultaneously did. These results suggest that both the GAP and ADP-ribosylating domains of AexT contribute to its biological activity. This is the first bacterial virulence factor to be described that has a specific actin ADP-ribosylation activity and GAP activity toward Rho, Rac, and Cdc42, both enzymatic activities contributing to actin filament depolymerization.

The story of RP10: A positional cloning approach to the identification of an autosomal dominant retinitis pigmentosa gene

Retinitis pigmentosa (RP) is an inherited retinal degenerative disease that is the leading cause of inherited blindness worldwide. Characteristic features of the disease include night blindness, progressive loss of visual fields, and deposition of pigment on the retina in a bone spicule-like pattern. RP is marked by extreme genetic heterogeneity with at least 19 autosomal dominant, autosomal recessive and X-linked loci identified. RP10, which maps to chromosome 7q, was the fifth autosomal dominant RP locus identified, and accounts for the early-onset disease in two independent families. Extensive linkage and haplotype analyses have been performed in these two families which have allowed the assignment of the disease locus to a 5-cM region on chromosome 7q31.3. In collaboration with Dr. Eric Green (National Center for Human Genome Research, National Institutes of Health), a well-characterized physical map of the region was constructed which includes YAC, BAC and cosmid coverage. The entire RP10 critical region resides within a 9-Mb well-characterized YAC contig. These physical maps not only provided the resources to undertake the CAIGES (cDNA amplification for identification of genomic expressed sequences) procedure for identification of retinal candidate genes within the critical region, but also identified a number of candidate genes, including transducin-$\gamma$ and blue cone pigment genes. All candidate genes examined were excluded. In addition, a number of ESTs were mapped within the critical region. EST20241, which was isolated from an eye library, corresponded to the 3$\sp\prime$ region of the ADP-ribosylation factor (ARF) 5 gene. ARF5, with its role in vesicle transport and possible participation in the regulation of the visual transduction pathway, became an extremely interesting candidate gene. Using a primer walking approach, the entire 3.2 kb genomic sequence of the ARF5 gene was generated and developed intronic primers to screen for coding region mutations in affected family members. No mutations were found in the ARF5 gene, however, a number of additional ESTs have been mapped to the critical region, and, as the large-scale sequencing projects get underway, megabases of raw sequence data from the RP10 region are becoming available. These resources will hasten the isolation and characterization of the RP10 gene. ^

THE MECHANISM OF RETINOIC ACID REGULATION OF TISSUE TRANSGLUTAMINASE GENE EXPRESSION

Retinoic acid regulates cellular growth and differentiation by altering the expression of specific sets of genes, but the molecular mechanism by which this is achieved is unknown. We have used the rapid induction of a specific enzyme, tissue transglutaminase in mouse macrophages, human leukemia cells and a variety of other cell types to study the regulation of gene expression by retinoic acid. Soluble retinoic acid binding proteins, such as cellular Retinoic Acid Binding Protein (cRABP), have been proposed as specific mediators of retinoic acid regulation of gene expression. This thesis demonstrates the lack of cRABP in a number of cell lines which are sensitive to retinoic acid regulation of tissue transglutaminase expression. These cells are also devoid of other soluble retinoic acid binding activity. The level of retinoic acid binding activity that could have been detected (6 fmol) is far below that of most cells and tissues which are sensitive to the effects of retinoic acid on growth and differentiation. A mouse melanoma cell line, S91-C2, was found to contain an unusual retinoic acid binding protein which has a lower affinity for retinoic acid than mouse tissue cRABP and also behaves differently on gel filtration HPLC chromatography.^ The induction of tissue transglutaminase by retinoic acid in macrophages is specifically inhibited by pertussis toxin. Pertussis toxin ADP-riblosylates membrane GTP-binding proteins such as N(,i) and interferes with signalling from plasma membrane receptors to regulatory enzymes. Pertussis toxin inhibition of transglutaminase induction is due to inhibition of tissue transglutaminase mRNA accumulation and is paralleled by the ADP-ribosylation of a 41,000 dalton macrophage membrane protein. It is concluded that soluble retinoic acid binding proteins are not essential for retinoic acid induction of tissue transglutaminase and that a membrane GTP-binding protein is closely linked to the sensitive response of macrophages to retinoic acid. ^

Functional analysis of GNA -1, a Galphai superfamily member found in the filamentous fungus Neurospora crassa

Heterotrimeric GTP-binding proteins, G proteins, are integral components of eukaryotic signaling systems linking extracellular signals to intracellular responses. Through coupling to seven-transmembrane helix receptors, G proteins convey primary signaling events into multi-leveled cascades of intracellular activity by regulating downstream enzymes, collectively called effectors. The effector enzymes regulated by G proteins include adenylyl cyclase, cAMP phosphodiesterase, phospolipase C-β, mitogen-activated protein kinases, and ion channels. ^ Neurospora crassa is a multicellular, filamentous fungus that is capable of both asexual and sexual reproduction by elaboration of specialized, developmentally controlled structures that give rise to either asexual or sexual spores, respectively. N. crassa possesses at least three heterotrimeric Gα proteins (GNA-1–3) and one Gβ subunit (GNB-1). GNA-1 was the first microbial protein that could be classified in the Gαi superfamily based on its amino acid identity and demonstration that it is a substrate for ADP-ribosylation by pertussis toxin. ^ Experiments were designed to identify the signal transduction pathways and the effector enzymes regulated by GNA-1. Targeted gene-replacement of gna-1 revealed that GNA-1 controls multiple developmental pathways including both asexual and sexual reproduction, maintenance of growth, and resistance to osmotic stress. The Gαi and Gαz members of the Gαi superfamily negatively regulate adenylyl cyclase activity in mammalian cells; therefore, adenylyl cyclase and cAMP levels were measured in Δgna-1 strains and also in strains that were deleted for both gna-1 and gna-2, a second Gα in N. crassa shown to have overlapping functions with GNA-1. Direct measurements of adenylyl cyclase activity revealed that GNA-1, but not GNA-2, was responsible for GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in N. crassa. Furthermore, anti-GNA-1 IgG could specifically inhibit GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in wild-type strain extracts. These studies also provided evidence that N. crassa possesses feedback mechanisms that control steady-state cAMP levels through indirect regulation of cAMP-phosphodiesterase activity; mutations in gna-1 and gna-2 were additive in their effect on lowering cAMP-phosphodiesterase activity under growth conditions where steady-state cAMP levels were normal but GTP-stimulated adenylyl cyclase activity was reduced 90% in comparison to control strains. ^ Genetic and biochemical epistasis experiments utilizing a Δ gna-1 cr-1 mutant suggest that GNA-1 is essential for female fertility in a cAMP-independent pathway. Furthermore, deletion of gna-1 in a cr-1 background exacerbated many of the defects already observed in the cr-1 strain including more severe growth restriction and developmental defects. However, deletion of gna-1 had no effect on the increased thermotolerance of cr-1, which has been attributed to loss of cAMP. cr-1 possesses GNA-1 protein, and crude membrane fractions from this strain reconstituted GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in Δgna-1 membrane fractions. These studies provide direct evidence for the involvement of Gα proteins in the regulation of adenylyl cyclase activity in eukaryotic microbes. ^

Requirement of GM2 ganglioside activator for phospholipase D activation

Sequence analysis of a heat-stable protein necessary for the activation of ADP ribosylation factor-dependent phospholipase D (PLD) reveals that this protein has a structure highly homologous to the previously known GM2 ganglioside activator whose deficiency results in the AB-variant of GM2 gangliosidosis. The heat-stable activator protein indeed has the capacity to enhance enzymatic conversion of GM2 to GM3 ganglioside that is catalyzed by β-hexosaminidase A. Inversely, GM2 ganglioside activator purified separately from tissues as described earlier [Conzelmann, E. & Sandhoff, K. (1987) Methods Enzymol. 138, 792–815] stimulates ADP ribosylation factor-dependent PLD in a dose-dependent manner. At higher concentrations of ammonium sulfate, the PLD activator protein apparently substitutes for protein kinase C and phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, both of which are known as effective stimulators of the PLD reaction. The mechanism of action of the heat-stable PLD activator protein remains unknown.