La résistance au froid chez les microorganismes

1. La résistance au froid chez les microorganismes • Biotopes froids majoritaires sur terre : - mers & océans ont une température moyenne de 5°C - ¾ de la planète < 15 °C • Limite absolue à la vie : présence d’eau liquide nécessaire

2. Psychrophile, psychrotolérant ? • Psychrophile : - optimum ≤ 15°c - maximum < 20°c - minimum ≤ 0°c → ex. : Bacillus psychrophilus • Psychrotolérant (Morita 1975) : - 20°c < optimum < 40°c - minimum ≤ 0°c  → ex. :  Listeria monocytogenes

3. Le froid : un stress physiologique • Formation de cristaux de glace dans le milieu intra-cellulaire → besoin de produire des « molécules antigel » (ex. : carbohydrates) • Stress oxydatif décuplé (l’oxygène se dissout mieux) • Rigidification des membranes lipidiques → diminution de l’activité des protéines associées • Diminution de la cinétique enzymatique (conformation différente des protéines) • Formation de structures 2D de l’ADN

4. Adaptation homéovisqueuse de la membrane (Sinensky 1974) • Perte de fluidité de la membrane avec le froid (membranes cireuses & non fonctionnelles) • Proportion plus importante d’acides gras à faible point de fusion : - espèce-spécifiques - contraintes stériques (change l’ordre & réduit le nombre d’interactions dans la membrane)

5. Insaturation des chaînes acyl • Altération la plus observée • Bactéries (dont un groupe de Cyanobactéries) : baisse de la synthèse des polyinsaturés • Eucaryotes & autres cyanobactéries (contiennent des polyinsaturés) : modifications des rapports saturés/insaturés ou de la proportion de polyinsaturés

6. Désaturation • en anaérobie : durant la synthèse chez E. coli (Cronan & Rock 1996) • en aérobie : modification des acides gras préexistants chez des bacilli (de Mendoza et al. 1993; Los & Murata 1998)

7. La désaturase • Peut modifier rapidement de grandes proportions de la membrane après une chute de la température • Faible coût énergétique • Mécanisme presque universel (car substrat = chaîne acyl des lipides) • Cyanobactérie cryo-sensible Anacystis nidulans → tolérance au froid en augmentant la synthèse des acides gras insaturés par introduction du gène de la D12 désaturase

8. Autres modifications des chaînes acyl • Raccourcissement & branchement de méthyles : → synthèse de novo (Suutari & Laakso 1994)

9. Branchements anti-iso • Les bacilles Gram+ contiennent une forte proportion d’acides gras branchés iso- & anti-iso : • Précurseurs : valine, leucine & isoleucine résultant en des acides gras à chaînes paires ou impaires isobranchées & à chaînes impaires iso-branchées (Bishop et al. 1967; Kaneda 1991). → couplage étroit du métabolisme des acides aminés & de la biosynthèse des acides gras.

10. Branchements anti-iso • a-C15:0 prédominant chez une Gram+ & une Gram- de l’Antarctique (Chattopadhyay & Jagannadham 2001) • a-C15:0 prédominant chez 2 souches de L. monocytogenes en culture à 5°C → synthèse augmentée par glycine betaine (Annous & al. 1997) → rôle cryoprotecteur

11. B. subtilis • Seule bactérie non photosynthétique avec Des • Après un choc froid, synthèse de novo massive d’acides gras C-15 & C-17 branchés anti-iso saturés pour une adaptation à long terme (Klein et al. 1999) • En l’absence d’isoleucine (précurseur), production d’acides gras insaturés même à 37°c (Weber et al. 2001a) → régulation encore mal comprise

12. Pseudoalteromonas haloplanktis • Bactérie de l’Antarctique • Au lieu de développer des voies métaboliques d’élimination des produits toxiques issus de l’oxygène, elle optimise les mécanismes utilisant directement l’oxygène comme source d’énergie • Pour garder une bonne fluidité de sa membrane, elle modifie sa composition lipidique grâce à une enzyme particulière utilisant l’oxygène

13. Les cold-shock protéines • 2 types: • Classe 1 : Niveau faible à température optimale et forte augmentation lors d’un stress au froid • Classe 2 : Protéines présentes à TOptimale et légère augmentation lors d’un choc • CspA, CspB, CspG, CsdA, RbfA, NusA et PNP  famille 1 • CspA, CspB et CspG sont des chaperonnes • CsdA est une protéines associée aux ribosomes • RbfA est une protéine qui aide à la formation des ribosomes • NusA est une terminase • PNP est une ribonucléase RecA, IF-2, H-NS, GyrA  famille 2 • RecA est un facteur de recombinaison • IF-2 est un facteur de transcription • H-NS est une protéine associée à l’ADN • GyrA est une sous unité de topoisomérase

14. Synthèse de protéines suite à un choc froid Synthèse de protéines Phase d’acclimatation : Réduction des protéines non adaptées et augmentation des protéines cold-shock

15. Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli • A température optimale: • Niveau constitutif • Rétrocontrôle négatif • Dégradation de l’ARNm (1/2 vie de 12 secondes) • Rôle de la « cold box »

16. Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli • Lors d’un choc froid: • Transcription de l’ADN mais rétrocontrôle négatif • La production de 5’-UTR augmente la transcription • Augmentation de la stabilité de l’ARNm de CspA (1/2 vie de 20 minutes)

17. Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli A température optimale : répression Ipp A basse température : Synthèse TATATA Prom 5’-UTR CspA Synthèse protéique Augmente la synthèse ? CspA Rétrocontrôle négatif a température optimale et positif à basse température

18. Les cold-shock protéines : exemple chez Escherichia coli L’ARNm de CspA ne nécessite pas de ribosomes adaptés au froid pour être traduit (boite DB)  Hausse de la quantité de CspA dans la bactérie

19. Rôle de CspA dans la transcription • Facteur de transcription : • CspA reconnaît le promoteur de gène h-ns • Action sur le gène gyrA • Protéines chaperonnes : • Action sur l’ADN

20. Rôle de CspA dans la transcription Modulation • Début du choc : • CspA se fixe sur les régions les plus affines de l’ADN • Hausse de la transcription • Hausse de la quantité de CspA Fin du choc : Fixation de CspA sur des régions moins affines de l’ADN • Inaccessibilité de l’ADN par l’ARNpoly • Baisse de la transcription

21. Rôle de CspA dans la traduction • Niveau de CspA faible ou moyen : • Hausse de la traduction par fixation sur l’ARNm • Niveau de CspA fort : • Baisse de la traduction (trop de CspA sur l’ARNm)  Arrêt de la traduction

22. Bilan • Début du choc : • Production de CspA • Hausse de la transcription et de la traduction • Fin du choc : • Trop de CspA • Arrêt de la transcription et de la traduction

23. Conclusion • Les changements de lipides de la membrane permettent de maintenir sa fluidité & donc sa fonctionnalité • Importance des cold-shocks