Metabolic activation of polycyclic aromatic hydrocarbons and other procarcinogens by cytochromes P450 1A1 and P4501B1 allelic variants and other human cytochromes P450 in Salmonella typhimurium NM2009

A variety of polycyclic aromatic hydrocarbons and their dihydrodiol derivatives, arylamines, heterocyclic amines, and nitroarenes, were incubated with cDNA-based recombinant (Escherichia coli or Trichoplusia ni) systems expressing different forms of human cytochrome P450 (P450 or CYP) and NADPH-P450 reductase using Salmonella typhimurium, tester strain NM2009, and the resultant DNA damage caused by the reactive metabolites was detected by measuring expression of umu gene in the cells. Recombinant (bacterial) CYP1A1 was slightly more active than any of four CYP1B1 allelic variants, CYP1B1*1, CYP1B1*2, CYP1B1*3, and CYP1B1*6, in catalyzing activation of chrysene-1,2-diol, benz[a]anthracene-trans-1,2-, 3,4-, 5,6-, and 8,9-diol, fluoranthene-2,3-diol, dibenzo[a]pyrene, benzo[c]phenanthrene, and dibenz[a,h]anthracene and several arylamines and heterocyclic amines, whereas CYP1A1 and CYP1B1 enzymes had essentially similar catalytic specificities toward other procarcinogens, such as (+)-, (-)-, and (+/-)-benzo[a]pyrene-7,8-diol, 5-methylchrysene-1,2-diol, 7,12-dimethylbenz[a]anthracene-3,4-diol, dibenzo[a,l]pyrene-11,12-diol, benzo[b]fluoranthene-9,10-diol, benzo[c]chrysene, 5,6-dimethylchrysene-1,2-diol, benzo[c]phenanthrene-3,4-diol, 7,12-dimethylbenz[a]anthracene, benzo[a]pyrene, 5-methylchrysene, and benz[a]anthracene. We also determined activation of these procarcinogens by recombinant (T. ni) human P450 enzymes in S. typhimurium NM2009. There were good correlations between activities of procarcinogen activation by CYP1A1 preparations expressed in E. coli and T. ni cells, although basal activities with three lots of CYP1B1 in T. ni cells were very high without substrates and NADPH in our assay system. Using 14 forms of human P450S (but not CYP1B1) (in T. ni cells), we found that CY1P1A2, 2C9, 3A4, and 2C19 catalyzed activation of several of polycyclic aromatic hydrocarbons at much slower rates than those catalyzed by CYP1A1 and that other enzymes, including CYP2A6, 2B6, 2C8, 2C18, 2D6, 2E1, 3A5, 3A7, and 4A11, were almost inactive in the activation of polycyclic aromatic hydrocarbons examined here.

Fishing the key biological components of the bacterium Geobacter metallireducens for optimal biotechnological applications

Os resultados apresentados no capítulo 2 foram incluídos no artigo Dantas JM, Campelo LM, Duke NEC, Salgueiro CA, Pokkuluri PR (2015) "The structure of PccH from Geobacter sulfurreducens – a novel low reduction potential monoheme cytochrome essential for accepting electrons from an electrode", FEBS Journal, 282, 2215-2231.

Charakterisierung des heterolog exprimierten metabotropen purinergen P2Y1-Rezeptors aus dem Hirn der Ratte (rP2Y1) in HEK293-Zellen

GPCR, Purinergic receptor, green fluorescent protein, human embryonic kidney (HEK293) cells, receptor regulation, desensitization, ca2+ signalling, heterologous expression

Calpain hydrolysis of alpha- and beta2-adaptins decreases clathrin-dependent endocytosis and may promote neurodegeneration.

Clathrin-dependent endocytosis is mediated by a tightly regulated network of molecular interactions that provides essential protein-protein and protein-lipid binding activities. Here we report the hydrolysis of the alpha- and beta2-subunits of the tetrameric adaptor protein complex 2 by calpain. Calcium-dependent alpha- and beta2-adaptin hydrolysis was observed in several rat tissues, including brain and primary neuronal cultures. Neuronal alpha- and beta2-adaptin cleavage was inducible by glutamate stimulation and was accompanied by the decreased endocytosis of transferrin. Heterologous expression of truncated forms of the beta2-adaptin subunit significantly decreased the membrane recruitment of clathrin and inhibited clathrin-mediated receptor endocytosis. Moreover, the presence of truncated beta2-adaptin sensitized neurons to glutamate receptor-mediated excitotoxicity. Proteolysis of alpha- and beta2-adaptins, as well as the accessory clathrin adaptors epsin 1, adaptor protein 180, and the clathrin assembly lymphoid myeloid leukemia protein, was detected in brain tissues after experimentally induced ischemia and in cases of human Alzheimer disease. The present study further clarifies the central role of calpain in regulating clathrin-dependent endocytosis and provides evidence for a novel mechanism through which calpain activation may promote neurodegeneration: the sensitization of cells to glutamate-mediated excitotoxicity via the decreased internalization of surface receptors.

Three-dimensional models of 14α-sterol demethylase (Cyp51A) from Aspergillus lentulus and Aspergillus fumigatus: an insight into differences in voriconazole interaction.

Aspergillus lentulus, an Aspergillus fumigatus sibling species, is increasingly reported in corticosteroid-treated patients. Its clinical significance is unknown, but the fact that A. lentulus shows reduced antifungal susceptibility, mainly to voriconazole, is of serious concern. Heterologous expression of cyp51A from A. fumigatus and A. lentulus was performed in Saccharomyces cerevisiae to assess differences in the interaction of Cyp51A with the azole drugs. The absence of endogenous ERG11 was efficiently complemented in S. cerevisiae by the expression of either Aspergillus cyp51A allele. There was a marked difference between azole minimum inhibitory concentration (MIC) values of the clones expressing each Aspergillus spp. cyp51A. Saccharomyces cerevisiae clones expressing A. lentulus alleles showed higher MICs to all of the azoles tested, supporting the hypothesis that the intrinsic azole resistance of A. lentulus could be associated with Cyp51A. Homology models of A. fumigatus and A. lentulus Cyp51A protein based on the crystal structure of Cyp51p from Mycobacterium tuberculosis in complex with fluconazole were almost identical owing to their mutual high sequence identity. Molecular dynamics (MD) was applied to both three-dimensional protein models to refine the homology modelling and to explore possible differences in the Cyp51A-voriconazole interaction. After 20ns of MD modelling, some critical differences were observed in the putative closed form adopted by the protein upon voriconazole binding. A closer study of the A. fumigatus and A. lentulus voriconazole putative binding site in Cyp51A suggested that some major differences in the protein's BC loop could differentially affect the lock-up of voriconazole, which in turn could correlate with their different azole susceptibility profiles.

Regulation of the cardiac voltage-gated sodium channel Nav1.5 : regulation of Nav1.5 by ubiquitin-protein ligases of the Nedd4/Nedd4-like family and characterisation of two novel mutations in the gene encoding Nav1.5 (SCN5A) implicated in the Brugada syndrome triggered by fever

Abstract: The genesis of the cardiac action potential, which accounts for the cardiac contraction, is due to the sodium current INa mediated by the voltage-gated sodium channel Nav1.5. Several cardiac arrhythmias such as the Brugada syndrome are known te be caused by mutations in SCN5A, the gene encoding Nav1.5. Studies of these mutations allowed a better understanding of biophysical and functional properties of Nav1.5. However, only few investigations have been performed in order to understand the regulation of Nav1.5. During my thesis, I investigated different mechanisms of regulation of Nav1.5 using a heterologous expression system, HEK293 cells, coupled with a technique of sodium current recording: the patch clamp in whole cell configuration. In previous studies it has been shown that an enzyme of the Nedd4 family (Nedd4-2) regulates an epithelial sodium channel via the interaction with PY-motifs present in the latter. Interestingly, Nav1.5 contains a similar PY-motif, which motivated us to study the role of Nedd4-2 expressed in heart for the regulation of Nav1.5. In a second study, we investigated the implication of two Nav1.5 mutants, which were either less functional or net functional (Nav1.5 R535X and Nav1.5 L325R respectively) implied in the genesis of the Brugada syndrome by fever. Our results established two mechanisms implied in Nav1.5 regulation. The first one implies that following the interaction between the PY-motif of Nav1.5 and Nedd4- 2 Nav1.5 is ubiquitinated by Nedd4-2. This ubiquitination leads to the internalization of Nav1 .5. The second mechanism is a phenomenon called the "dominant negative" effect of Nav1.5 L325R on Nay1.5 where the decrease of 'Na is potentially due to the retention of Nav1.5 by Nav1.5 L325R in an undefined intracellular compartment. These studies defined two mechanisms of Nav1.5 regulation, which could play an important role for the genesis of cardiac arrhythmias where molecular processes are still poorly understood. Résumé La genèse du potentiel d'action cardiaque, permettant la contraction cardiaque, est due au courant sodique INa issu des canaux sodiques cardiaques dépendants du voltage Nav1.5. Nombreuses arythmies cardiaques telles que le syndrome de Brugada sont connues pour être liées à des mutations du gène SCN5A, codant pour Nav1.5. L'étude de ces mutations a permis une meilleure compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles de Nav1.5 et leurs implications dans la genèse de ces pathologies. Néanmoins peu d'études ont été menées afin de comprendre les mécanismes de régulation de Nav1.5. Mon travail de thèse a consisté à étudier des mécanismes de régulation de Nav1.5 en utilisant un système d'expression hétérologue, les cellules HEK293, couplé à une technique d'enregistrement des courants sodiques, le "patch clamp" en configuration cellule entière. La présence sur Nav1.5 d'un motif-PY similaire à ceux nécessaires pour la régulation d'un canal épithélial sodique par une enzyme de la famille de Nedd4, nous a amenée à étudier le rôle de ces ubiquitine-ligases, en particulier Nedd4-2, dans la régulation de Nav1.5. La seconde étude s'est intéressée aux conséquences de deux mutations de SCN5A codant pour deux mutants peu ou pas fonctionnels (Nav1.5 L325R et Nav1.5 R535X respectivement) retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par un état fébrile. Nos résultats ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de Nav1.5 L'un par Nedd4-2 qui implique rubiquitination de Nav1.5 par cette ligase suite à l'interaction entre le motif-PY de Nav1.5 et Nedd4-2. Cette modification déclenche l'internalisation du canal impliquée dans la diminution d'INa. Le second mécanisme quant à lui est un effet "dominant négatif" de Nav1.5 L325R sur Nav1.5 aboutissant à une diminution d'INa suite à la séquestration intracellulaire potentielle de Nav1.5 par Nav1.5 L325R. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de Nav1.5 pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des arythmies cardiaques dont les processus moléculaires au sein des cardiomyocytes, impliquant des modifications du courant sodiques, sont encore mal compris. Résumé destiné à un large public La dépolarisation électrique de la membrane des cellules cardiaques permet la contraction du coeur. La génèse de cette activité électrique est due au courant sodique issu d'un type de canal à sodium situé dans la membrane des cellules cardiaques. De nombreuses pathologies provoquant des troubles du rythme cardiaque sont issues de mutations du gène qui code pour ce canal à sodium. Ces canaux mutants, entrainant diverses pathologies cardiaques telles que le syndrome de Brugada, ont été largement étudiées. Néanmoins, peu de travaux ont été réalisés sur les mécanismes de régulation de ce canal à sodium non muté. Mon travail de thèse a consisté à étudier certains des mécanismes de régulation de ce canal à sodium en utilisant une technique permettant l'enregistrement des courants sodiques issus de l'expression de ces canaux à sodium à la membrane de cellules mammifères. La présence sur ce canal à sodium d'une structure spécifique, similaire à celle nécessaire pour la régulation d'un canal épithélial à sodium par une enzyme appelée Nedd4-2, nous a amenée à étudier le rôle de cette enzyme dans la régulation de ce canal à sodium. La seconde étude s'est intéressée aux rôles de deux mutations du gène codant pour ce canal à sodium retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par la fièvre. Nos résultats nous ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium diminuant le courant sodique l'un par l'action de l'enzyme Nedd4-2, suite à son interaction avec ce canal, qui modifie ce canal à sodium (ubiquitination) diminuant de ce fait la densité membranaire du canal. L'autre par un mécanisme suggérant un effet négatif de l'un des canaux mutants sur l'expression à la membrane du canal à sodium non muté. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des troubles du rythme cardiaques dont les mécanismes cellulaires sont encore incompris.

Interrogation of related clinical pan-azole-resistant Aspergillus fumigatus strains: G138C, Y431C, and G434C single nucleotide polymorphisms in cyp51A, upregulation of cyp51A, and integration and activation of transposon Atf1 in the cyp51A promoter.

Multiple Aspergillus fumigatus isolates from a patient with two aspergillomas complicating chronic pulmonary aspergillosis were pan-azole resistant. Microsatellite typing was identical for all isolates despite major phenotypic and some growth rate differences. Three different cyp51A mutations were found (G138C, Y431C, and G434C), of which the first two were demonstrated by heterologous expression in a hypersusceptible Saccharomyces cerevisiae strain to be at least partly responsible for elevated MICs. cyp51A and cyp51B gene duplication was excluded, but increased expression of cyp51A was demonstrated in three isolates selected for additional study (7-to 13-fold increases). In the isolate with the greatest cyp51A expression, an Aft1 transposon was found inserted 370 bp upstream of the start codon of the cyp51A gene, an integration location never previously demonstrated in Aspergillus. Two transcription start sites were identified at 49 and 136 bp upstream of the start codon. The role of the Aft1 transposon, if any, in modulating cyp51A expression remains to be established. Increased mRNA expression of the transporters AfuMDR1 and AfuMDR4 also was demonstrated in some isolates, which could contribute to azole resistance or simply represent a stress response. The diversity of confirmed and possible azole resistance mechanisms demonstrated in a single series of isogenic isolates is remarkable, indicating the ability of A. fumigatus to adapt in the clinical setting.

Serum albumin promotes ATP-binding cassette transporter-dependent sterol uptake in yeast.

Sterol uptake in fungi is a multistep process that involves interaction between external sterols and the cell wall, incorporation of sterol molecules into the plasma membrane, and subsequent integration into intracellular membranes for turnover. ATP-binding cassette (ABC) transporters have been implicated in sterol uptake, but key features of their activity remain to be elucidated. Here, we apply fluorescent cholesterol (NBD-cholesterol) to monitor sterol uptake under anaerobic and aerobic conditions in two fungal species, Candida glabrata (Cg) and Saccharomyces cerevisiae (Sc). We found that in both fungal species, ABC transporter-dependent uptake of cholesterol under anaerobic conditions and in mutants lacking HEM1 gene is promoted in the presence of the serum protein albumin that is able to bind the sterol molecule. Furthermore, the C. glabrata ABC transporter CgAus1p expressed in S. cerevisiae requires the presence of serum or albumin for efficient cholesterol uptake. These results suggest that albumin can serve as sterol donor in ABC transporter-dependent sterol uptake, a process potentially important for growth of C. glabrata inside infected humans.

Secreted glutamic protease rescues aspartic protease Pep deficiency in Aspergillus fumigatus during growth in acidic protein medium.

In an acidic protein medium Aspergillus fumigatus secretes an aspartic endoprotease (Pep) as well as tripeptidyl-peptidases, a prolyl-peptidase and carboxypeptidases. In addition, LC-MS/MS revealed a novel glutamic protease, AfuGprA, homologous to Aspergillus niger aspergillopepsin II. The importance of AfuGprA in protein digestion was evaluated by deletion of its encoding gene in A. fumigatus wild-type D141 and in a pepΔ mutant. Either A. fumigatus Pep or AfuGprA was shown to be necessary for fungal growth in protein medium at low pH. Exoproteolytic activity is therefore not sufficient for complete protein hydrolysis and fungal growth in a medium containing proteins as the sole nitrogen source. Pep and AfuGprA constitute a pair of endoproteases active at low pH, in analogy to A. fumigatus alkaline protease (Alp) and metalloprotease I (Mep), where at least one of these enzymes is necessary for fungal growth in protein medium at neutral pH. Heterologous expression of AfuGprA in Pichia pastoris showed that the enzyme is synthesized as a preproprotein and that the propeptide is removed through an autoproteolytic reaction at low pH to generate the mature protease. In contrast to A. niger aspergillopepsin II, AfuGprA is a single-chain protein and is structurally more similar to G1 proteases characterized in other non-Aspergillus fungi.

Mice carrying ubiquitin-specific protease 2 (Usp2) gene inactivation maintain normal sodium balance and blood pressure.

Ubiquitylation plays an important role in the control of Na⁺ homeostasis by the kidney. It is well established that the epithelial Na⁺ channel ENaC is regulated by the ubiquitin-protein ligase NEDD4-2, limiting ENaC cell surface expression and activity. Ubiquitylation can be reversed by the action of deubiquitylating enzymes (DUBs). One such DUB, USP2-45, was identified previously as an aldosterone-induced protein in the kidney and is also a circadian output gene. In heterologous expression systems, USP2-45 binds to ENaC, deubiquitylates it, and enhances channel density and activity at the cell surface. Because the role of USP2-45 in renal Na⁺ transport had not been studied in vivo, we investigated here the effect of Usp2 gene inactivation in this process. We demonstrate first that USP2-45 protein has a rhythmic expression with a peak at ZT12. Usp2-KO mice did not show any differences from wild-type littermates with respect to the diurnal control of Na⁺ or K⁺ urinary excretion and plasma levels either on a standard diet or after acute and chronic changes to low- and high-Na⁺ diets, respectively. Moreover, they had similar aldosterone levels on either a low- or high-Na⁺ diet. Blood pressure measurements using telemetry did not reveal variations compared with control mice. Usp2-KO mice did not display alterations in expression of genes involved in sodium homeostasis or the ubiquitin system, as evidenced by transcriptome analysis in the kidney. Our data suggest that USP2 does not play a primary role in the control of Na⁺ balance or blood pressure.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

Functional genomics of intracellular bacteria.

During the genomic era, a large amount of whole-genome sequences accumulated, which identified many hypothetical proteins of unknown function. Rapidly, functional genomics, which is the research domain that assign a function to a given gene product, has thus been developed. Functional genomics of intracellular pathogenic bacteria exhibit specific peculiarities due to the fastidious growth of most of these intracellular micro-organisms, due to the close interaction with the host cell, due to the risk of contamination of experiments with host cell proteins and, for some strict intracellular bacteria such as Chlamydia, due to the absence of simple genetic system to manipulate the bacterial genome. To identify virulence factors of intracellular pathogenic bacteria, functional genomics often rely on bioinformatic analyses compared with model organisms such as Escherichia coli and Bacillus subtilis. The use of heterologous expression is another common approach. Given the intracellular lifestyle and the many effectors that are used by the intracellular bacteria to corrupt host cell functions, functional genomics is also often targeting the identification of new effectors such as those of the T4SS of Brucella and Legionella.

Biosynthesis of pyranonaphthoquinone polyketides:characterization of the alnumycin pathway

Alnumycin A is an aromatic pyranonaphthoquinone (PNQ) polyketide closely related to the model compound actinorhodin. While some PNQ polyketides are glycosylated, alnumycin A contains a unique sugar-like dioxane moiety. This unusual structural feature made alnumycin A an interesting research target, since no information was available about its biosynthesis. Thus, the main objective of the thesis work became to identify the steps and the enzymes responsible for the biosynthesis of the dioxane moiety. Cloning, sequencing and heterologous expression of the complete alnumycin gene cluster from Streptomyces sp. CM020 enabled the inactivation of several alnumycin biosynthetic genes and preliminary identification of the gene products responsible for pyran ring formation, quinone formation and dioxane biosynthesis. The individual deletions of the genes resulted in the production of several novel metabolites, which in many cases turned out to be pathway intermediates and could be used for stepwise enzymatic reconstruction of the complete dioxane biosynthetic pathway in vitro. Furthermore, the in vitro reactions with purified alnumycin biosynthetic enzymes resulted in the production of other novel compounds, both pathway intermediates and side products. Identification and molecular level studies of the enzymes AlnA and AlnB catalyzing the first step of dioxane biosynthesis – an unusual C-ribosylation step – led to a mechanistic proposal for the C-ribosylation of the polyketide aglycone. The next step on the dioxane biosynthetic pathway was found to be the oxidative conversion of the attached ribose into a highly unusual dioxolane unit by Aln6 belonging to an uncharacterized protein family, which unexpectedly occurred without any apparent cofactors. Finally, the last step of the pathway was found to be catalyzed by the NADPH-dependent reductase Aln4, which is able to catalyze the conversion of the formed dioxolane into a dioxane moiety. The work presented here and the knowledge gained of the enzymes involved in dioxane biosynthesis enables their use in the rational design of novel compounds containing C–C bound ribose, dioxolane and dioxane moieties.

Functional genomics of BAHD acyltransferases in different varieties of the wine grape, Vilis vinifera

The characteristic "foxy" aroma of Vilis labrusca Concord grapes is due in large part to methyl anthranilate, a volatile ester formed by the enzyme anthraniloyl- CoA:methanol anthraniloyltransferase (VIAMAT) of the superfamily of BARD acyltransferases. The publication of the genome ofthe closely related wine grape Vilis vinifera, which does not accumulate methyl anthranilate, permitted the searching for any putative VlAU4T-like genes, with the result of 5 highly homologous candidates being found, with one candidate sharing 95% identity to VlAU4T. Probing the gene expression of 18 different cultivars of V. vinifora ripe berries by RT -PCR showed that many varieties do indeed express VlAU4T-like genes. Subsequent cloning of the full-length open reading frame of one of these genes from eDNA prepared from the cultivar Sauvignon Blanc permitted preliminary biochemical characterization of the enzyme after heterologous expression in E. coli. It was determined that this alcohol acyltransferase (named VvsbAATl) catalyzes the formation of cis-3-hexenyl acetate, a "green-leaf' volatile. Although the cloned gene from Sauvignon Blanc had 95% identity at the amino acid level to VIAMAT, it displayed an altered substrate specificity and expression pattern. These results highlight the difficulty in predicting substrate specificity and function of enzymes through the basis of sequence homology, which is a common finding in the study of BARD acyltransferases. Also, the determination of function of VvsbAATl and other BARD acyltransferases in V. vinifera could be used as a genetic marker for certain aroma characteristics in grape breeding programs.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.