La capacité fascinante des bactéries à évoluer dans des environnements changeants repose sur des systèmes d’adaptation complexes. Certains d’entre eux sont étudiés dans le groupe : nous cherchons à comprendre les mécanismes qui permettent aux bactéries de modifier leur métabolisme pour utiliser les ressources disponibles, de réorganiser l’expression génétique en utilisant des facteurs de transcription alternatifs, d’assurer le bon repliement des protéines et de les protéger en fonction des stress rencontrés, de se déplacer vers des composés nutritifs ou fuir des toxiques, et finalement de s’adapter en tant que population en formant des biofilms ou en utilisant les ressources produites par d’autres espèces au sein de consortium bactériens. Ces études sont menées à plusieurs échelles, du niveau moléculaire au cellulaire et jusqu’au multi-cellulaire.

Au niveau moléculaire, l’accent est mis sur l’étude des protéines chaperons et de complexes enzymatiques membranaires.Lorsque les bactéries sont confrontées à un stress (thermique, oxydatif, présence de métaux, …), l’intégrité des protéines est menacée, ce qui affecte leur repliement correct (perte de fonction) et peut conduire à la formation d’agrégats protéiques qui sont souvent toxiques pour les cellules. Pour pallier ces défauts de repliement, les bactéries possèdent des protéines chaperons dont une grande partie est conservée des bactéries à l’homme. Dans le groupe, nous nous intéressons au fonctionnement au niveau moléculaire des chaperons généraux Hsp90, Hsp33, et du système DnaK avec ses co-chaperons à domaine J (JDP). Nos recherches sont menées sur plusieurs modèles bactériens dont Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa et la bactérie environnementale Shewanella oneidensis qui s’est révélée être un modèle de choix pour l’étude des chaperons.

Nous cherchons à mieux comprendre la fonction physiologique et le mécanisme d’action de ces chaperons par des approches intégrées de microbiologie moléculaire en utilisant des techniques de génétique (cribles, sélections, mutagenèses dirigées et aléatoires), de biochimie (purifications de protéines, interactions protéines-protéines, systèmes de réactivation de protéine in vitro, systèmes de prévention d’agrégation des protéines) et de biophysique (fluorescence, dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-Visible, ICP-OES).

En fonction des ressources présentes dans l’environnement et pour moduler leur métabolisme énergétique, les bactéries utilisent diverses enzymes dont certaines sont de larges complexes protéiques enchâssés dans les membranes.

Notre groupe étudie notamment des enzymes respiratoires impliquées dans l’oxydation ou la réduction énergétique de composés inorganiques du soufre (Sulfite déshydrogénase SoeABC ou complexe hétérodisulfure réductase Hdr par exemple), de composés organiques comme le TMAO (système Tor) ou encore l’utilisation de l’hydrogène (hydrogénases associées à la membrane). Au cours de nos études sur les complexes enzymatiques membranaires, nous décryptons également le rôle de protéines intervenant dans la stabilisation de certains de ces complexes, ou utilisées comme substrats de ces enzymes (comme des soufre transférases solubles). La caractérisation fine de ces protéines, complexes et supercomplexes par diverses approches biochimiques ou biophysiques (purification de protéines solubles ou membranaires, activités enzymatiques, gels bleu natifs, spectroscopies, dichroïsme circulaire, …) affinant la connaissance des propriétés de chacun des constituants ainsi que celle de l’ensemble de l’édifice architectural permet ensuite de mieux appréhender leur fonction à l’échelle de la cellule. La compréhension de ces mécanismes moléculaires nous permet ensuite de reconstituer les voies métaboliques énergétiques que nous étudions.

Ces études sont menées sur les bactéries environnementales Aquifex aeolicus et Shewanella oneidensis.

Références :

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The fascinating ability of bacteria to thrive in changing environments lies in complex adaptation systems. In our group, we aim at understanding the mechanisms by which bacteria (i) modify their metabolism to use available resources, (ii) reorganize their genetic expression using alternative transcription factors, (iii) ensure the proper folding and protection of proteins in function of stress, (iv) move towards nutrients or flee toxic compounds, and at last (v) adapt at the population level by forming biofilms or by using resources produced by other species within bacterial consortia. These studies are conducted at different scales, from the molecular to the cellular scale, and even to the multi-cellular scale.

At the molecular scale, we focus on chaperone proteins and on membrane protein complexes.

Stresses (heat shock, oxidative stress, metals, …) faced by bacteria perturb protein integrity. This may affect their native fold (leading to the loss of protein activity) and induce protein aggregation which is often toxic for the cell. To prevent protein misfolding, bacteria use chaperones, most of them are conserved from bacteria to human. In the group, we study at the molecular level the general molecular chaperones Hsp90, Hsp33, and the DnaK system with its J-domain proteins co-chaperones (JDP).

We use different bacterial models such as Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa or the environmental bacterium Shewanella oneidensis which appears like a perfect bacteria model for chaperones studies. Our goal is to determine the physiological function and molecular mechanism of these

chaperones by using integrated molecular microbiology approaches combining genetic techniques (screening, selection, directed- or random-mutagenesis), biochemistry (protein purification, protein-protein interactions, in vitro protein activation, protein aggregation systems) and biophysics (fluorescence and UV-visible spectroscopies, circular dichroism, ICP-OES).

Depending on the resources available in their environment, and to modulate their energy metabolism, bacteria use large protein complexes anchored in the bacterial envelope

In particular, our group studies respiratory enzymes involved in the oxidation or reduction of inorganic sulfur compounds (Sulfite dehydrogenase SoeABC, the complex heterodisulfide reductase Hdr, …), the reduction of inorganic compounds such as TMAO (Tor system) or the oxidation of H₂ (membrane-bound hydrogenases). We also study the role of proteins either involved in the stabilization of these large complexes or used as substrate of these complexes (eg. sulfur transferases). By using biochemical and biophysical approaches (purification of soluble or membrane proteins, enzymatic assays, blue native gels, spectroscopies, circular dichroism, …), we characterize these proteins, either individually or in complexes or supercomplexes to better learn about their function at the cellular scale. Understanding these molecular mechanisms is crucial to reconstitute the energy pathways in which these complexes are involved. These studies are conducted using the environmental bacteria Aquifex aeolicus and Shewanella oneidensis.

References :

• Nathanael Jean Maillot, Flora Ambre Honoré, Deborah Byrne, Vincent Méjean, Olivier Genest. Cold adaptation in the environmental bacterium Shewanella oneidensis is controlled by a J-domain co-chaperone protein network. Commun Biol, 2019, 2 (1). DOI: 10.1038/s42003-019-0567-3 HAL: hal-02371718v1
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L’équipe cherche à comprendre comment les bactéries s’adaptent aux changements environnementaux, en s’intéressant à divers aspects comme la réponse ou la résistance à divers stress (métaux (Cu, Cr), molécules toxiques, températures, concentrations en oxygène) ou l’adaptation des métabolismes bactériens à des variations de l’environnement (concentration croissante ou décroissante d’un signal donné, nature de la source énergétique ou de l’accepteur d’électrons par exemple).

La perception par la bactérie de son environnement se fait par l’intermédiaire de protéines senseurs qui transmettent les signaux perçus aux systèmes de régulation ou de mobilité impliqués dans sa réponse adaptative. Parmi ces systèmes, notre intérêt se porte sur les systèmes chimiosenseurs (systèmes Che) qui permettent une nage orientée (chimiotactisme) de la bactérie dans un gradient de composés (attractants ou répulsifs) ou la mise en place d’une réponse globale comme la régulation post-traductionnelle du facteur sigma S. Nous étudions les différents composants de ces chaines de perception et transmission des signaux afin d’obtenir une image la plus exhaustive de leur mécanisme d’action. Ces systèmes Che sont également impliqués dans la vie communautaire bactérienne puisqu’ils interviennent dans la formation de différents types de biofilms bactériens.

La réponse adaptative des bactéries conduisant à leur développement intègre de fait des changements de voies métaboliques en fonction de leur environnement. La compréhension et l’adaptation du métabolisme, notamment du métabolisme énergétique, sont abordées en s’intéressant à la régulation et au fonctionnement de systèmes et de chaines respiratoires (oxydation de l’hydrogène ou de composés inorganiques du soufre, réduction de l’oxygène) ainsi qu’aux modifications du transcriptome et du protéome. L’objectif est de comprendre les stratégies énergétiques mises en place par les bactéries en réponse à ces changements environnementaux.

Enfin, la mise en place de toutes ces chaines de régulation et métaboliques ainsi que leur maintien lors de stress (thermique, stress cuivre …) requièrent la présence de protéines chaperons, participant à la réponse aux stress et gardiennes de l’intégrité cellulaire. En effet, les nombreux stress rencontrés par les bactéries dans leur niche écologique ont très souvent un effet délétère sur le repliement des protéines. Ainsi, en étudiant le fonctionnement de chaperons généraux (Hsp90, Hsp33, système DnaK) de type foldase (ATP dépendantes et qui replient activement leurs protéines clientes) et de type holdase (ATP-indépendantes qui préviennent l’agrégation de protéines clientes), nous voulons décrypter aux niveaux cellulaire et moléculaire comment les chaperons permettent aux bactéries de résister et s’adapter à ces divers stress. Afin de mieux comprendre le rôle physiologique de ces chaperons, nous cherchons à identifier leurs protéines clientes (protéines prises en charge par les chaperons), à déterminer les voies cellulaires dans lesquelles ces chaperons sont impliquées, et définir leurs mécanismes d’action. Une protéine cliente étant généralement prise en charge par plusieurs chaperons, nous nous intéressons également aux interactions fonctionnelles qui existent entre ces chaperons afin de permettre le contrôle de l’homéostasie des protéines.

Nous répondons à ces questionnements en combinant plusieurs approches de biologie moléculaire, microbiologie, microscopie, génétique et biochimie telles que des délétions de gènes, des croissances bactériennes en conditions de stress, l’utilisation de banques génomiques, des interactions protéine-protéine par double-hybride bactérien et co-purifications ou encore la comparaison de protéomes par spectrométrie de masse.

Les bactéries que nous étudions sont très diverses d’un point de vue physiologique et proviennent d’environnements très variés : souches de Shewanella, Escherichia coli, Aquifex aeolicus, Pseudomonas.

• Zuily L., Lahrach N., Fassler R., Genest O., Faller P., Sénèque O., Denis Y.,Castanié-Cornet MP, Genevaux P, Jakob U, Reichmann D, Giudici-Orticoni MT, Ilbert M. Copper Induces Protein Aggregation, a Toxic Process Compensated by Molecular Chaperones. mBio. 2022, 13 (2). doi: 10.1128/mbio.03251-21.
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• Lemaire O N, Honoré F, Tempel S, Fortier E M, Leimkühler S, Méjean V, Iobbi-Nivol C 2019  Insights into chromate resistance of Shewanella decolorationis LDS1. AEM septembre 2019 AEM.00777-19. doi: 10.1128/AEM.00777-19.
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The team aims to understand how bacteria adapt to environmental changes, focusing on various aspects such as the response or resistance to various stresses (metals (Cu, Cr), toxic molecules, temperatures, oxygen concentrations) or the adaptation of bacterial metabolisms to environmental variations (increasing or decreasing concentration of a given signal, nature of the energy source or electron acceptor for example).

The bacterium’s perception of its environment depends on sensor proteins that transmit the detected signals to the regulation or mobility systems involved in its adaptive response. Among these systems, our interest focuses in chemosensor systems (Che systems) that allow bacterial swim (chemotaxis) through a gradient of compounds (attractants or repellents) or the implementation of the general stress response through the post-translational regulation of the sigma S factor. We are studying the different components of these signal perception and transmission chains in order to obtain the most exhaustive picture of their mechanism of action.

These Che systems are also involved in bacterial community lifestyle since they take part in the formation of different types of bacterial biofilms. The adaptive response of bacteria leading to their propagation actually integrates changes in metabolic pathways according to their environment. The understanding and adaptation of metabolism, particularly energy metabolism, is addressed by studying the regulation and functioning of respiratory systems (oxidation of hydrogen or inorganic sulfur compounds, reduction of oxygen) as well as changes in the bacterial transcriptome and proteome. The objective is to understand the energy strategies developed by bacteria in response to these environmental changes. Finally, the synthesis of all these regulatory and metabolic chains and their stability during stress (thermal, copper stress, etc.) require the presence of chaperone proteins, which participate in the stress response and are guardians of cell integrity.

Indeed, the numerous stresses encountered by bacteria in their ecological niche very often have a deleterious effect on protein folding. Thus, by studying the functioning of general chaperones (Hsp90, Hsp33, DnaK system) of the foldase type (ATP-dependent and actively folding their client proteins) and of the holdase type (ATP-independent preventing the aggregation of client proteins), we want to decipher at the cellular and molecular levels how chaperones allow bacteria to resist and adapt to these various stresses. In order to better understand the physiological role of these chaperones, we aspire to identify their client proteins (proteins handled by chaperones), to determine cellular pathways in which these chaperones are involved, and to define their mechanisms of action. Since a client protein is usually handled by several chaperones, we are also interested in the functional interactions between these chaperones in order to control protein homeostasis.

We answer these questions by combining several approaches of molecular biology, microbiology, microscopy, genetics and biochemistry such as gene deletions, bacterial growth under stress conditions, the use of genomic libraries, or protein-protein interactions by bacterial two-hybrid assays and co-purifications or the comparison of proteomes by mass spectrometry.

The bacteria that we study are very diverse from a physiological point of view and come from very different environments: strains of Shewanella, Escherichia coli, Aquifex aeolicus, Pseudomonas.

• Zuily L., Lahrach N., Fassler R., Genest O., Faller P., Sénèque O., Denis Y.,Castanié-Cornet MP, Genevaux P, Jakob U, Reichmann D, Giudici-Orticoni MT, Ilbert M. Copper Induces Protein Aggregation, a Toxic Process Compensated by Molecular Chaperones. mBio. 2022, 13 (2). doi: 10.1128/mbio.03251-21.
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• Benomar S, Ranava D, Cárdenas ML, Trably E, Rafrafi Y, Ducret A, Hamelin J, Lojou E, Steyer JP, Giudici-Orticoni MT. 2015, Nutritional stress induces exchange of cell material and energetic coupling between bacterial species.  Nat Commun. 6:6283. doi: 10.1038/ncomms7283.

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