Blog

Jul 31, 2023

Les toxines nucléotidyltransférases MenT étendent les tiges des accepteurs d'ARNt et peuvent être inhibées par une liaison asymétrique des antitoxines

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4644 (2023) Citer cet article 1087 Accès 21 Altmetric Metrics détaille Mycobacterium tuberculosis, la bactérie responsable de la tuberculose humaine,

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4644 (2023) Citer cet article

1087 Accès

21 Altmétrique

Détails des métriques

Mycobacterium tuberculosis, la bactérie responsable de la tuberculose humaine, possède un génome codant pour un nombre remarquablement élevé de systèmes toxine-antitoxine dont la fonction est largement inconnue. Nous avons récemment montré que le génome de M. tuberculosis code pour quatre systèmes toxine-antitoxine nucléotidyltransférase d'une famille MenAT très répandue. Dans cette étude, nous caractérisons MenAT1 en utilisant le séquençage de l'ARNt pour démontrer l'activité de modification de l'ARNt MenT1. L'activité MenT1 est bloquée par MenA1, une courte antitoxine protéique sans rapport avec la kinase MenA3. L'analyse cristallographique aux rayons X montre le blocage du pli MenT conservé par liaison asymétrique de MenA1 à travers deux protomères MenT1, formant un complexe toxine-antitoxine hétérotrimérique. Enfin, nous démontrons également la modification de l'ARNt par la toxine MenT4, indiquant une activité conservée dans la famille MenT. Notre étude met en évidence la variation des préférences de cibles d'ARNt par les toxines MenT, l'utilisation sélective de substrats nucléotidiques et divers modes d'activité de l'antitoxine MenA.

Les systèmes toxine-antitoxine (TA) comprennent de petits modules génétiques codant pour une toxine nocive et son antitoxine antagoniste. Ils sont répandus dans les génomes bactériens et archéens, ainsi que sur les éléments génétiques mobiles, et sont généralement inductibles par le stress1,2,3,4,5. Les systèmes TA jouent un rôle dans la défense contre l’infection par les phages, dans le maintien des régions génomiques et, dans certains cas, contribuent à la virulence bactérienne et à la persistance des antibiotiques4,6,7,8,9. Il a été démontré que dans des conditions de croissance clémentes, l’activité de la toxine est bloquée par son antitoxine apparentée et que la croissance bactérienne n’est pas affectée. Cependant, dans des conditions spécifiques telles qu’une infection par un phage ou une perte de plasmide, l’équilibre entre toxine et antitoxine est dérégulé. En conséquence, les toxines libres ciblent des processus ou des structures cellulaires essentiels, notamment la traduction, la réplication, le métabolisme ou l’enveloppe cellulaire, provoquant une inhibition de la croissance ou la mort cellulaire2,10.

Mycobacterium tuberculosis, la bactérie responsable de la tuberculose humaine, possède un génome qui code pour une abondance remarquable de plus de 86 systèmes TA11,12. Cette suite de systèmes TA comprend plusieurs exemples de familles TA bien conservées, dont il a généralement été démontré qu'elles sont induites dans des conditions de stress pertinentes, notamment l'hypoxie, l'engloutissement des macrophages ou l'exposition à des antibiotiques. De nombreuses toxines putatives de M. tuberculosis se sont révélées toxiques lorsqu’elles sont exprimées dans M. tuberculosis, M. smegmatis et/ou E. coli, tandis que leur effet délétère était efficacement inhibé par la co-expression de l’antitoxine correspondante13,15. En conséquence, il a été proposé que les toxines activées pourraient moduler la croissance de M. tuberculosis dans certaines conditions, contribuant ainsi à la survie de l’hôte humain11,15,16. Pourtant, à l’exception d’une poignée de systèmes TA qui ont été testés et dont il a été démontré qu’ils contribuent à l’infection de l’hôte17,18,19, leur fonction cellulaire reste largement inconnue. En outre, la nature hautement toxique de certaines de ces toxines suggère que leurs mécanismes antibactériens pourraient être utilisés pour identifier de nouvelles cibles médicamenteuses, ou encore, via une application directe en tant qu'antimicrobiens intracellulaires20,21,22,23,24.

Les membres de la famille MenAT de systèmes TA chez M. tuberculosis codent pour une toxine avec un domaine protéique conservé de type nucléotidyltransférase (NTase) (DUF1814) et une antitoxine apparentée, qui peut appartenir à différentes familles de protéines . Parmi les membres de la famille MenAT de M. tuberculosis, il a été démontré que MenT1 (Rv0078A), MenT3 (Rv1045) et MenT4 (Rv2826c) inhibaient la croissance de M. smegmatis en cas de surexpression, tandis que MenT2 (Rv0836c) ne présentait aucun effet détectable25. Les toxines MenT appartiennent à la famille des protéines d'infection abortive (AbiEii) de Streptococcus agalactiae qui contiennent quatre motifs de signature conservés26. Les motifs N-terminaux I et II se trouvent dans l'ADN polymérase β et sont proposés pour coordonner un ion métallique pour la liaison et le transfert des nucléotides. Le motif C-terminal III est similaire à celui des ARNt NTases qui ajoutent le motif 3ʹ CCA aux ARNt immatures et peut être important pour l'empilement de bases avec des substrats. Le motif C-terminal IV est unique aux protéines DUF1814 et il est proposé de former un site catalytique avec le motif III26,27. À ce jour, la toxine MenT3 est le membre le mieux caractérisé de cette famille. Il a été démontré que MenT3 (également appelé TglT) inhibe la traduction en transférant des pyrimidines à l'extrémité 3ʹ CCA des tiges acceptrices d'ARNt (de préférence à Ser-ARNt in vitro), empêchant ainsi une aminoacylation ultérieure. De manière remarquable, il a été suggéré que cette activité soit neutralisée par l’antitoxine MenA3 agissant comme une kinase spécifique phosphorylant MenT3 au niveau du résidu du site catalytique Ser78 . Ce mode d'inhibition proposé a conduit à la classification de MenAT3 en tant que système TA de type VII 3,28. Les structures aux rayons X de MenT3 et MenT4 montrent que les deux sont des protéines globulaires monomères bilobées, avec une similitude dans leur repli global, en particulier dans leur site actif putatif25. De plus, les structures de l'antitoxine MenA4 et de son homologue proche AbiEi révèlent la présence de domaines de liaison à l'ADN en hélice-tour-hélice ailée N-terminale reliés par un lien court aux domaines kinases C-terminaux impliqués dans la neutralisation de la toxine29,30,31. In vivo, il a été démontré que menAT2 était induit lors d'une exposition à un stress nitrosatif et était nécessaire à la pathogenèse de M. tuberculosis chez le cobaye32. En revanche, on ne sait pratiquement rien de MenAT1. Le système MenAT1 code pour la protéine MenT1 attendue, une toxine de type NTase (partageant 15 % d'identité d'acides aminés avec MenT3) ainsi qu'une très courte antitoxine putative de 68 acides aminés, nommée MenA1, identifiée à l'origine comme une toxine putative de type I de type SymE et prédite. être désordonné et dépourvu d’un domaine de liaison à l’ADN12. Des travaux antérieurs ont montré que MenT1 est toxique lorsqu'il est exprimé dans M. smegmatis et que sa toxicité était efficacement inhibée par MenA125 co-surexprimé. Curieusement, la surexpression de MenT1 n’a pas montré de toxicité détectable chez E. coli, ce qui contraste fortement avec MenT3 ou AbiEii25,33.