Microcompartiment bactérien - Bacterial microcompartment
Les microcompartiments bactériens ( BMC ) sont des structures de type organite , constituées d'une enveloppe protéique qui renferme des enzymes et d'autres protéines . Les BMC ont généralement un diamètre d'environ 40 à 200 nanomètres et sont entièrement constitués de protéines. La coquille fonctionne comme une membrane, car elle est sélectivement perméable. D'autres compartiments à base de protéines trouvés dans les bactéries et les archées comprennent les nanocompartiments d'encapsuline et les vésicules de gaz .
Découverte
Les premiers BMC ont été observés dans les années 1950 sur des micrographies électroniques de cyanobactéries , et ont ensuite été nommés carboxysomes après que leur rôle dans la fixation du carbone a été établi. Jusqu'aux années 1990, on pensait que les carboxysomes étaient une bizarrerie confinée à certaines bactéries autotrophes . Mais alors les gènes codant pour des protéines homologues à ceux de la coquille de carboxysome ont été identifiés dans l' ufc (utilisation de propanediol) et EUT (utilisation de l' éthanolamine) de operons . Par la suite, des micrographies électroniques à transmission de cellules de Salmonella cultivées sur propanediol ou éthanolamine ont montré la présence de corps polyédriques similaires aux carboxysomes. Le terme métabolosome est utilisé pour désigner ces BMC cataboliques (contrairement au carboxysome autotrophe).
Bien que les BMC utilisant le carboxysome, le propanediol (PDU) et l'éthanolamine (EUT) encapsulent des enzymes différentes et aient donc des fonctions différentes, les gènes codant pour les protéines de l'enveloppe sont très similaires. La plupart des gènes (codant pour les protéines de l'enveloppe et les enzymes encapsulées) des BMC caractérisées expérimentalement sont situés à proximité les uns des autres dans des loci ou opérons génétiques distincts . Il y a actuellement plus de 20 000 génomes bactériens séquencés, et des méthodes bioinformatiques peuvent être utilisées pour trouver tous les gènes shell BMC et pour regarder quels autres gènes se trouvent à proximité, produisant une liste de BMC potentiels. En 2014, une enquête complète a identifié 23 loci différents codant jusqu'à 10 BMC fonctionnellement distincts dans 23 phylums bactériens . En 2021, dans une analyse de plus de 40 000 séquences de protéines de coquille, il a été montré qu'au moins 45 phylums ont des membres qui codent pour les BMC, et le nombre de types et sous-types fonctionnels est passé à 68. Le rôle des BMC dans le microbiome humain est également devenir clair.
Coquilles
Familles de protéines formant la coquille
La coquille BMC apparaît icosaédrique ou quasi-icosaédrique et est formée de (pseudo) sous-unités protéiques hexamères et pentamères . Les structures des coquilles intactes ont été déterminées pour trois fonctions distinctes : les types BMC, les carboxysomes, les organites GRM2 impliqués dans le catabolisme de la choline et un métabolosome de fonction inconnue. Collectivement, ces structures ont montré que les principes de base de l'assemblage de coques sont universellement conservés dans des BMC fonctionnellement distincts.
La famille des protéines de coque BMC
Les principaux constituants de l'enveloppe BMC sont des protéines contenant le(s) domaine(s) Pfam00936. Ces protéines forment des oligomères de forme hexagonale et forment les facettes de la coquille.
Protéines à domaine unique (BMC-H)
Les protéines BMC-H, qui contiennent une seule copie du domaine Pfam00936, sont le composant le plus abondant des facettes de la coquille. Les structures cristallines d'un certain nombre de ces protéines ont été déterminées, montrant qu'elles s'assemblent en hexamères cycliques, généralement avec un petit pore au centre. Cette ouverture est proposée pour être impliquée dans le transport sélectif des petits métabolites à travers la coquille. La plupart des BMC contiennent plusieurs types distincts de protéines BMC-H (paralogues) qui s'assemblent pour former les facettes , reflétant probablement la gamme de métabolites qui doivent entrer et sortir de la coquille.
Protéines à domaine tandem (BMC-T)
Un sous-ensemble de protéines shell est composé de copies en tandem (fusionnées) du domaine Pfam00936 (protéines BMC-T), cet événement évolutif a été recréé en laboratoire par la construction d'une protéine BMC-T synthétique. Les protéines BMC-T structurellement caractérisées forment des trimères de forme pseudohexamérique. Certaines structures cristallines BMC-T montrent que les trimères peuvent s'empiler face à face. Dans de telles structures, un pore d'un trimère est dans une conformation "ouverte", tandis que l'autre est fermé - ce qui suggère qu'il peut y avoir un mécanisme de type sas qui module la perméabilité de certaines coques BMC. Cette porte semble être coordonnée sur toute la surface de la coque. Un autre sous-ensemble de protéines BMC-T contient un cluster [4Fe-4S] et peut être impliqué dans le transport des électrons à travers la coque BMC. Des centres métalliques ont également été transformés en protéines BMC-T pour conduire les électrons.
La famille EutN/CcmL (BMC-P)
Douze unités pentagonales sont nécessaires pour coiffer les sommets d'une coque icosaédrique. Les structures cristallines des protéines de la famille EutN/CcmL (Pfam03319) ont été résolues et elles forment généralement des pentamères (BMC-P). L'importance des protéines BMC-P dans la formation de la coquille semble varier entre les différents BMC. Il a été montré qu'ils sont nécessaires à la formation de la coquille du PDU BMC car les mutants dans lesquels le gène de la protéine BMC-P a été supprimé ne peuvent pas former de coquilles, mais pas pour l'alpha-carboxysome : sans protéines BMC-P, les carboxysomes s'assemblera toujours et beaucoup sont allongés; ces carboxysomes mutants semblent être « fuyants ».
Evolution des BMC et relation avec les capsides virales
Alors que la coquille BMC est architecturalement similaire à de nombreuses capsides virales, les protéines de la coquille ne se sont pas avérées avoir une homologie structurelle ou de séquence avec les protéines de la capside. Au lieu de cela, les comparaisons structurelles et de séquence suggèrent que BMC-H (et BMC-T) et BMC-P, très probablement, ont évolué à partir de protéines cellulaires authentiques, à savoir la protéine de signalisation PII et la protéine contenant le domaine OB-fold, respectivement.
Perméabilité de la coque
Il est bien établi que les enzymes sont emballées dans l'enveloppe BMC et qu'un certain degré de séquestration des métabolites et des cofacteurs doit se produire. Cependant, d'autres métabolites et cofacteurs doivent également être autorisés à traverser la coquille pour que les BMC fonctionnent. Par exemple, dans les carboxysomes, le ribulose-1,5-bisphosphate, le bicarbonate et le phosphoglycérate doivent traverser la coquille, tandis que la diffusion du dioxyde de carbone et de l'oxygène est apparemment limitée. De même, pour le PDU BMC, la coque doit être perméable au propanediol, au propanol, au propionyl-phosphate et potentiellement aussi à la vitamine B12, mais il est clair que le propionaldéhyde est en quelque sorte séquestré pour éviter les dommages cellulaires. Il existe des preuves que l'ATP doit également traverser certains obus BMC.
Il a été proposé que les pores centraux formés dans les tuiles protéiques hexagonales de la coquille soient les conduits à travers lesquels les métabolites diffusent dans la coquille. Par exemple, les pores de la coque du carboxysome ont une charge globale positive, qui a été proposée pour attirer des substrats chargés négativement tels que le bicarbonate. Dans le microcompartiment PDU, des expériences de mutagenèse ont montré que le pore de la protéine shell PduA est la voie d'entrée du substrat propanediol. Pour les métabolites plus gros, un mécanisme de déclenchement dans certaines protéines BMC-T est apparent. Dans le microcompartiment EUT, le déclenchement du grand pore dans la protéine de la coquille EutL est régulé par la présence du principal substrat métabolique, l'éthanolamine.
La présence d'amas fer-soufre dans certaines protéines de la coquille, vraisemblablement dans le pore central, a conduit à la suggestion qu'ils peuvent servir de conduit à travers lequel les électrons peuvent être transportés à travers la coquille.
Les types
Des études approfondies des données de séquence du génome microbien ont indiqué plus de 60 fonctions métaboliques différentes encapsulées par des coquilles BMC. La majorité est impliquée soit dans la fixation du carbone (carboxysomes) soit dans l'oxydation des aldéhydes (métabolosomes).
Carboxysomes : fixation du carbone
Les carboxysomes encapsulent la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO) et l'anhydrase carbonique dans les bactéries fixatrices de CO2 dans le cadre d'un mécanisme de concentration de CO2. Le bicarbonate est pompé dans le cytosol et diffuse dans le carboxysome, où l'anhydrase carbonique le convertit en dioxyde de carbone, le substrat de RuBisCO. On pense que la coquille du carboxysome n'est que peu perméable au dioxyde de carbone, ce qui entraîne une augmentation efficace de la concentration de dioxyde de carbone autour de RuBisCO, améliorant ainsi la fixation du CO2. Les mutants dépourvus de gènes codant pour la coquille du carboxysome présentent un phénotype nécessitant un CO2 élevé en raison de la perte de la concentration de dioxyde de carbone, entraînant une fixation accrue de l'oxygène par RuBisCO. Les coques ont également été proposées pour restreindre la diffusion de l'oxygène, empêchant ainsi la réaction de l'oxygénase, réduisant ainsi la photorespiration inutile.
Métabolosomes : oxydation des aldéhydes
En plus des carboxysomes anabolisants, plusieurs BMCs cataboliques ont été caractérisés qui participent au métabolisme hétérotrophe via des aldéhydes à chaîne courte ; ils sont collectivement appelés métabolosomes.
En 2014, il a été proposé que malgré leur diversité fonctionnelle, la majorité des métabolosomes partagent une chimie encapsulée commune entraînée par trois enzymes de base : l'aldéhyde déshydrogénase, l'alcool déshydrogénase et la phosphotransacylase. Parce que les aldéhydes peuvent être toxiques pour les cellules et/ou volatils, on pense qu'ils sont séquestrés dans le métabolosome. L'aldéhyde est initialement fixé à la coenzyme A par une aldéhyde déshydrogénase NAD+-dépendante, mais ces deux cofacteurs doivent être recyclés, car ils ne peuvent apparemment pas traverser la coquille. Ces réactions de recyclage sont catalysées par une alcool déshydrogénase (NAD+) et une phosphotransacétylase (coenzyme A), ce qui donne un composé acylé phosphorylé qui peut facilement être une source de phosphorylation au niveau du substrat ou entrer dans le métabolisme central, selon si l'organisme est en croissance aérobie ou anaérobie. Il semble que la plupart des métabolosomes, sinon tous, utilisent ces enzymes de base. Les métabolosomes encapsulent également une autre enzyme spécifique du substrat initial du BMC, qui génère l'aldéhyde ; c'est l'enzyme signature définie du BMC.
BMC PDU
Certaines bactéries peuvent utiliser le 1,2-propanediol comme source de carbone. Ils utilisent un BMC pour encapsuler plusieurs enzymes utilisées dans cette voie (Sampson et Bobik, 2008). Le PDU BMC est généralement codé par un locus de 21 gènes. Ces gènes sont suffisants pour l'assemblage des BMC puisqu'ils peuvent être transplantés d'un type de bactérie à un autre, entraînant un métabolosome fonctionnel chez le receveur. Ceci est un exemple de bio-ingénierie qui fournit également des preuves à l'appui de l'hypothèse de l'opéron égoïste. Le 1,2-propanediol est déshydraté en propionaldéhyde par la propanediol déshydratase, qui nécessite la vitamine B12 comme cofacteur. Le propionaldéhyde provoque des mutations de l'ADN et, par conséquent, est toxique pour les cellules, ce qui explique peut-être pourquoi ce composé est séquestré dans un BMC. Les produits finaux du PDU BMC sont le propanol et le propionyl-phosphate, qui sont ensuite déphosphorylés en propionate, générant un ATP. Le propanol et le propionate peuvent être utilisés comme substrats de croissance.
BMC EST
Utilisation de l'éthanolamine (EUT) Les BMC sont codées dans de nombreux types de bactéries. L'éthanolamine est clivée en ammoniac et en acétaldéhyde par l'action de l'éthanolamine-ammoniaque lyase, qui nécessite également la vitamine B12 comme cofacteur. L'acétaldéhyde est assez volatil et il a été observé que des mutants déficients dans la coquille BMC présentent un défaut de croissance et libèrent des quantités excessives d'acétaldéhyde. Il a été proposé que la séquestration de l'acétaldéhyde dans le métabolosome empêche sa perte par volatilité. Les produits finaux de l'EST BMC sont l'éthanol et l'acétyl-phosphate. L'éthanol est probablement une source de carbone perdue, mais l'acétyl-phosphate peut soit générer de l'ATP, soit être recyclé en acétyl-CoA et entrer dans le cycle du TCA ou dans plusieurs voies de biosynthèse.
BMC PDU/EUT bifonctionnels
Certaines bactéries, en particulier celles du genre Listeria , codent pour un seul locus dans lequel les gènes des BMC PDU et EUT sont présents. Il n'est pas encore clair s'il s'agit vraiment d'un BMC chimérique avec un mélange des deux ensembles de protéines, ou si deux BMC distincts sont formés.
BMC contenant des enzymes à radicaux glycyles (GRM)
Plusieurs loci BMC différents ont été identifiés qui contiennent des enzymes radicalaires glycyle, qui obtiennent le radical catalytique à partir du clivage de la s-adénosylcobalamine. Il a été démontré qu'un locus GRM de Clostridium phytofermentans est impliqué dans la fermentation du fucose et du rhamnose, qui sont initialement dégradés en 1,2-propanediol dans des conditions anaérobies. L'enzyme radicalaire glycyle est proposée pour déshydrater le propanediol en propionaldéhyde, qui est ensuite traité d'une manière identique au PDU canonique BMC.
Planctomycètes et Verrucomicrobia BMCs (PVM)
Des lignées distinctes de Planctomycètes et de Verrucomicrobia codent pour un locus BMC. Il a été démontré que le locus de Planctomyces limnophilus est impliqué dans la dégradation aérobie du fucose et du rhamnose. On pense qu'une aldolase génère du lactaldéhyde, qui est ensuite traité par le BMC, ce qui donne du 1,2-propanediol et du lactyl-phosphate.
Rhodococcus et Mycobacterium BMC (RMM)
Deux types de loci BMC ont été observés chez les membres des genres Rhodococcus et Mycobacterium , bien que leur fonction réelle n'ait pas été établie. Cependant, sur la base de la fonction caractérisée d'un des gènes présents dans le locus et des fonctions prédites des autres gènes, il a été proposé que ces loci pourraient être impliqués dans la dégradation de l'amino-2-propanol. L'aldéhyde généré dans cette voie prévue serait le composé extrêmement toxique méthylglyoxal; sa séquestration au sein du BMC pourrait protéger la cellule.
BMC de fonction inconnue (BUF)
Un type de locus BMC ne contient pas de RuBisCO ni aucune des enzymes métabolosomes centrales, et a été proposé pour faciliter une troisième catégorie de transformations biochimiques (c'est-à-dire ni fixation du carbone ni oxydation d'aldéhyde). La présence de gènes prédits pour coder pour les amidohydrolases et les désaminases pourrait indiquer que ce BMC est impliqué dans le métabolisme des composés azotés.
Assemblée
Carboxysomes
La voie d'assemblage des bêta-carboxysomes a été identifiée et commence avec la protéine CcmM nucléant RuBisCO. CcmM a deux domaines : un domaine d'anhydrase gamma-carbonique N-terminal suivi d'un domaine constitué de trois à cinq répétitions de séquences de type petite sous-unité RuBisCO. Le domaine C-terminal agrège RuBisCO, probablement en se substituant aux petites sous-unités réelles de RuBisCO dans l'holoenzyme L8-S8, réticulant efficacement le RuBisCO dans la cellule en un grand agrégat, appelé le procarboxysome. Le domaine N-terminal de CcmM interagit physiquement avec le domaine N-terminal de la protéine CcmN, qui, à son tour, recrute les sous-unités protéiques de l'enveloppe hexagonale via un peptide d'encapsulation sur son extrémité C. Les carboxysomes sont ensuite alignés spatialement dans la cellule cyanobactérienne via une interaction avec le cytosquelette bactérien, assurant leur distribution égale dans les cellules filles.
L'assemblage alpha-carboxysome peut être différent de celui des bêta-carboxysomes, car ils n'ont pas de protéines homologues à CcmN ou CcmM et aucun peptide d'encapsulation. Des carboxysomes vides ont été observés sur des micrographies électroniques. Certaines micrographies indiquent que leur assemblage se produit sous la forme d'une coalescence simultanée d'enzymes et de protéines de coque, par opposition à la mode apparemment progressive observée pour les bêta-carboxysomes. Il a été démontré que la formation d'alpha-carboxysomes simples dans des systèmes hétérologues nécessite uniquement des sous-unités grandes et petites de Rubisco, la protéine d'ancrage interne CsoS2 et la protéine d'enveloppe majeure CsoS1A.
L'analyse phylogénétique des protéines de l'enveloppe des deux types de carboxysomes indique qu'elles ont évolué indépendamment, chacune à partir d'ancêtres métabolosomes.
Métabolosomes
L'assemblage du métabolosome est vraisemblablement similaire à celui du bêta-carboxysome, via une agrégation initiale des protéines à encapsuler. Les protéines centrales de nombreux métabolosomes s'agrègent lorsqu'elles sont exprimées seules. De plus, de nombreuses protéines encapsulées contiennent des extensions terminales qui sont étonnamment similaires au peptide C-terminal de CcmN qui recrute des protéines de coque. Ces peptides d'encapsulation sont courts (environ 18 résidus) et devraient former des hélices alpha amphipathiques. Il a été démontré que certaines de ces hélices médient l'encapsulation d'enzymes natives dans des BMC, ainsi que des protéines hétérologues (telles que la GFP).
Régulation (génétique)
A l'exception des carboxysomes cyanobactériens, dans tous les cas testés, les BMC sont codées dans des opérons qui ne s'expriment qu'en présence de leur substrat. Les loci génétiques pour la majorité des types de BMC fonctionnellement distincts codent pour des protéines régulatrices qui peuvent fournir des informations sur la fonction de BMC.
Les BMC PDU chez Salmonella enterica sont induites par la présence de propanediol ou de glycérol en conditions anaérobies, et uniquement de propanediol en conditions aérobies. Cette induction est médiée par les protéines régulatrices globales Crp et ArcA (détectant respectivement l'AMP cyclique et les conditions anaérobies), et la protéine régulatrice PocR, qui est l'activateur transcriptionnel des loci pdu et cob (l'opéron nécessaire à la synthèse de la vitamine B12, un cofacteur requis pour la propanediol déshydratase).
Les BMC de l'EUT chez Salmonella enterica sont induites via la protéine régulatrice EutR par la présence simultanée d'éthanolamine et de vitamine B12, ce qui peut se produire dans des conditions aérobies ou anaérobies. Salmonella enterica ne peut produire de la vitamine B12 endogène que dans des conditions anaérobies, bien qu'elle puisse importer de la cyanobalamine et la convertir en vitamine B12 dans des conditions aérobies ou anaérobies.
Les BMC de PVM chez Planctomyces limnophilus sont induites par la présence de fucose ou de rhamnose dans des conditions aérobies, mais pas par le glucose. Des résultats similaires ont été obtenus pour le GRM BMC de Clostridium phytofermentans , pour lequel les deux sucres induisent les gènes codant pour le BMC ainsi que ceux codant pour les enzymes de dissimilation du fucose et du rhamnose.
En plus des systèmes de régulation caractérisés, des études bioinformatiques ont indiqué qu'il existe potentiellement de nombreux autres mécanismes de régulation, même au sein d'un type fonctionnel de BMC (par exemple PDU), y compris des systèmes de régulation à deux composants.
Pertinence pour la santé mondiale et humaine
Les carboxysomes sont présents dans toutes les cyanobactéries et de nombreuses autres bactéries photo- et chimiotrophes. Les cyanobactéries sont des moteurs globalement importants de la fixation du carbone, et puisqu'elles nécessitent des carboxysomes pour le faire dans les conditions atmosphériques actuelles, le carboxysome est un composant majeur de la fixation mondiale du dioxyde de carbone.
Plusieurs types de BMC ont été impliqués dans la virulence d'agents pathogènes, tels que Salmonella enterica et Listeria monocytogenes . Les gènes BMC ont tendance à être régulés à la hausse dans des conditions de virulence, et leur mutation conduit à un défaut de virulence tel que jugé par des expériences de compétition.
Applications biotechnologiques
Plusieurs caractéristiques des BMC les rendent attrayantes pour les applications biotechnologiques. Parce que les carboxysomes augmentent l'efficacité de la fixation du carbone, de nombreux efforts de recherche ont été consacrés à l'introduction de carboxysomes et de transporteurs de bicarbonate requis dans les chloroplastes végétaux afin de concevoir un mécanisme de concentration de CO2 chloroplastique avec un certain succès. Les carboxysomes fournissent également un exemple de la façon dont la connaissance d'une voie d'assemblage BMC permet de simplifier et de réduire le nombre de produits géniques nécessaires à la construction des organites. Ceci est une considération particulièrement importante pour introduire la compartimentation dans des organismes difficiles à concevoir comme les plantes en biologie synthétique des plantes. Plus généralement, étant donné que les protéines de la coquille BMC s'auto-assemblent, des coquilles vides peuvent se former, ce qui incite à des efforts pour les concevoir pour contenir une cargaison personnalisée. La découverte du peptide d'encapsulation sur les terminaisons de certaines protéines associées aux BMC fournit un moyen de commencer à concevoir des BMC personnalisés en fusionnant des protéines étrangères à ce peptide et en les co-exprimant avec des protéines d'enveloppe. Par exemple, en ajoutant ce peptide à la pyruvate décarboxylase et à l'alcool déshydrogénase, les chercheurs ont conçu un bioréacteur à l'éthanol. Des stratégies pour encapsuler des protéines dans des enveloppes synthétiques en utilisant divers domaines adaptateurs et des fusions aux extrémités des protéines d'enveloppe ont également été couronnées de succès. Enfin, les pores présents dans les protéines de la coquille contrôlent la perméabilité de la coquille : ceux-ci peuvent être une cible pour la bio-ingénierie, car ils peuvent être modifiés pour permettre le croisement de substrats et de produits sélectionnés. L'ingénierie de la perméabilité a même été étendue au-delà des métabolites ; les pores des protéines de la coquille ont été modifiés pour conduire les électrons.
En plus du potentiel de compartimentation du métabolisme en bio-ingénierie, les BMC synthétiques ont de nombreuses applications potentielles en nanothérapie. Des avancées techniques supplémentaires, telles que la capacité de construire des coquilles in vitro, permettent rapidement le développement de BMC en biotechnologie.