La douce précision de l'assemblage des flagelles

Publié par Isabelle le 02/11/2020 à 13:00
Source: Université de Genève
La construction de la machinerie motrice des bactéries, les flagelles, nécessite l'assemblage de nombreuses protéines. L'ajout de sucre et la présence d'un point de contrôle sont des étapes clés identifiées par des scientifiques de l'UNIGE.


Image de microscopie électronique de Caulobacter crescentus illustrant les deux cellules filles produites lors de la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction...) cellulaire. Une seule des cellules filles possède un flagelle (Le flagelle est génériquement un organite assurant la mobilité d'une cellule. Les procaryotes et les eucaryotes ont développé ce type d'organelle sur des principes architecturaux et fonctionnels très...) (structure filiforme à droite de l'image). © UNIGE/VIOLLIER

Afin d'obtenir la machinerie permettant aux bactéries de nager, plus de 50 protéines doivent être assemblées selon une logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est...) et un ordre bien défini pour former le flagelle, l'équivalent cellulaire d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la...) de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux...). Pour être fonctionnel, le flagelle s'assemble élément par élément, en terminant par l'hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) appelée filament flagellaire composé de six différentes protéines appelée flagellines. Des microbiologistes de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom...) (UNIGE) démontrent que l'ajout de sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un composé nommé...) sur les flagellines est déterminant pour l'assemblage et la fonctionnalité du flagelle. Cette glycosylation est assurée par l'enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer...) FlmG, dont le rôle était jusqu'ici inconnu. Partant de cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...), accessible dans la revue eLife, les chercheurs/euses ont enchaîné avec une autre découverte publiée dans Developmental Cell. Les six flagellines de Caulobacter crescentus, bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les bactéries...) modèle de ces deux études, contiennent une intruse qui servirait de signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit...) pour enclencher l'assemblage final du flagelle.

Le flagelle est l'engin locomoteur des bactéries. Grâce à lui, elles peuvent nager pour trouver leur nourriture ou pour infecter leurs hôtes. Comparable à un moteur d'offshore (Offshore est un terme anglais désignant à l'origine les activités qui se déroulent au large des côtes. Il peut s'appliquer à plusieurs domaines :) en raison de sa complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par...), le flagelle est composé d'une structure de base, d'un rotor et d'une hélice. Sa fabrication a lieu à l'intérieur des bactéries, dans leur cytosol. "L'assemblage des 50 protéines doit se faire séquentiellement et dans le bon ordre", indique Patrick Viollier, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) au Département de microbiologie (La microbiologie est une sous-discipline de la biologie basée sur l'étude des micro-organismes.) et médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal...) moléculaire de l'UNIGE. Le flagelle doit ensuite être intégré dans l'enveloppe bactérienne qui contient jusqu'à trois couches selon le type de bactérie, pour se retrouver à l'extérieur. La subtilité des mécanismes d'assemblage et d'adressage du flagelle reste mal comprise.

Douce surprise

Les microbiologistes de l'UNIGE étudient les bactéries Caulobacter crescentus. "Ces dernières sont très intéressantes pour l'étude des flagelles, car elles donnent naissance à deux cellules filles différentes. L'une comporte un flagelle et l'autre pas. C'est un modèle idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la...) pour la compréhension des mécanismes nécessaire à l'assemblage du flagelle.", indique Nicolas Kint, co-auteur de l'étude. Autre particularité, le filament flagellaire de cette bactérie est un assemblage de six sous-unités, et n'est donc pas issue de la polymérisation d'une seule protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En...), comme c'est le cas dans d'autres bactéries. "En analysant ces six sous-unités, nous avons découvert qu'elles étaient ornées de sucres, indiquant qu'une étape de glycosylation -réaction enzymatique ajoutant des sucres aux protéines- avait lieu. Une découverte surprenante, car cette réaction est peu présente dans les bactéries.", précise Patrick Viollier.

Son équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) a pu démontrer que la glycosylation des six flagellines est essentielle à la formation et à la fonctionnalité du flagelle. "Pour le démontrer, nous avons d'abord identifié le gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique...) produisant l'enzyme de glycosylation, FlmG. Son absence conduit à des bactéries sans flagelles. Dans un deuxième temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), nous avons modifié génétiquement un autre type de bactérie, Escherichia coli, pour lui faire exprimer une des six flagellines, l'enzyme de glycosylation et les enzymes produisant le sucre de Caulobacter crescentus. Tous ces éléments sont requis pour obtenir une flagelline sucrée et donc un flagelle fonctionnel", raconte Nicolas Kint.

Un mouton noir polyvalent

"Les différents éléments du flagelle sont produits les uns après les autres, les molécules de la base d'abord, puis celles du rotor et enfin l'hélice. La littérature scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) indique que ce processus séquentiel est important. Nous ignorons par contre comment les séquences de fabrication sont déclenchées." Le chercheur et son équipe se sont focalisés sur la synthèse des six flagellines composant le filament flagellaire. Parmi elles, ils ont découvert un mouton noir: une flagelline qui n'a que 50% d'homologie de séquence avec les cinq autres. "Cette sous-unité est devenue un point (Graphie) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) pour coordonner la synthèse des protéines du filament.", indique Patrick Viollier. Présente avant la synthèse des cinq autres sous-unités, elle agit comme un régulateur négatif. Tant qu'elle est présente dans le cytosol, la synthèse des autres flagellines n'est pas déclenchée. Une fois les éléments du flagelle assemblés, hors filament, la sous-unité est exportée vers l'extérieur de la bactérie avec eux. La synthèse des dernières cinq sous unités peut alors débuter. "C'est un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de...) de la synthèse protéique et un composant du filament flagellaire à la fois. Une double fonction unique en son genre", s'enthousiasme le microbiologiste.

Cette découverte est fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour comprendre la motilité des bactéries et l'assemblage des protéines. "Elle apporte également des éléments de compréhension pour la synthèse et l'assemblage de la tubuline, un élément essentiel du cytosquelette", conclut Patrick Viollier.

Publication:
Cette recherche est publiée dans eLife et Developmental Cell
DOI:
10.7554/eLife.60488
10.1016/j.devcel.2020.10.005

Contacts:
- Patrick Viollier - Professeur ordinaire - Département de microbiologie et médecine moléculaire - Faculté de Médecine, UNIGE
Patrick.Viollier at unige.ch
- Nicolas Kint - Postdoctorant - Département de microbiologie et médecine moléculaire - Faculté de Médecine, UNIGE
Nicolas.Kint at unige.ch
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