Analyse comparative de la cytokinèse des cyanobactéries

Synechocystis (sphérique) et S. elongatus (cylindrique)

A.1.

La formation de l’anneau Z

La protéine FtsZ est présente chez l’ensemble des cyanobactéries dont le génome est séquencé. Chez Synechocystis, ce facteur a été caractérisé au laboratoire avant mon arrivée (Mazouni, et al., 2004). Comme chez E. coli et B. subtilis, il est essentiel à la viabilité cellulaire et est capable de polymériser en un anneau au milieu de la cellule. Ceci a également été démontré par la suite chez la cyanobactérie cylindrique Synechococcus elongatus (Miyagishima, et al., 2005). En revanche, contrairement aux observations faites chez les organismes cylindriques (E. coli, B. subtilis, S. elongatus) (Figure 35 & Figure 36), nous avons montré que les anneaux de FtsZ des cellules filles étaient orientés perpendiculairement à l’anneau de la cellule mère (Mazouni, et al., 2004) (Figure 35). Ces données démontrent que Synechocystis se divise en alternant ces plans de divisions. Nos observations de cellules en « trèfles à quatre feuilles » confirment ces résultats (Article 1) (Figure 35 & Figure 36B)

Figure 35 : Photos en microscopie illustrant les enchaînements de plans de division de Synechocystis.

(A) Photo en microscopie électronique d’une souche exprimant la protéine FtsZ-GFP (Mazouni, et al., 2004).

(B) Photo en microscopie optique d’une souche mutante (Δpbp5Δpbp8) présentant une morphologie de trèfle à quatre feuilles (Article 1).

Différentes études montrent que la polymérisation de FtsZ, chez de nombreuses bactéries, commencerait à partir d’un point de « nucléation » à la membrane puis par progression bidirectionnelle sous forme d’arc pour ensuite former l’anneau septal (Addinall and Lutkenhaus, 1996; Begg and Donachie, 1998; Sato, et al., 2009; Sun and Margolin, 1998). Ainsi, chez Synechocystis, chaque nouvel anneau Z pourrait prendre naissance au niveau de la constriction de l’ancien anneau (Figure 36B).

Figure 36 : Représentation schématique de l’enchaînement des divisions entre deux cyanobactéries de morphologie différentes : S. elongatus, cylindrique (A) et

Synechocystis, sphérique (B)

Les points rouges représentent le site de « nucléation » de FtsZ qui serait le point de départ de la progression de manière bidirectionnelle de la polymérisation de FtsZ (flèches rouges). Les disques rouges représentent les complexes de cytokinèse formés et permettant la constriction et la formation du septum.

Par conséquent, à la différence de la cyanobactérie cylindrique S. elongatus (Figure 36A), il ne serait plus nécessaire de déterminer le site de polymérisation (celui-ci étant déterminé par l’ancien) chez Synechocystis. En revanche, il deviendrait nécessaire d’imposer un plan de polymérisation strict à la protéine FtsZ afin de former un anneau et donc de définir un plan septal de division au milieu de la cellule. Il demeure également la question de l’anneau Z ancestral (le premier) pour lequel nous n’avons pas de réponse pour le moment.

A.2.

Le système Min

La grande différence de comportement entre les cyanobactéries sphériques et cylindriques est illustrée par les phénotypes observés lors de la délétion du gène minE chez Synechocystis (Mazouni, et al., 2004) et S. elongatus (Miyagishima, et al., 2005) (Figure 37). En effet, chez S. elongatus, cette délétion entraîne la filamentation de la bactérie comme c’est le cas chez E. coli (de Boer, et al., 1988). En revanche, chez Synechocystis, le mutant ΔminE ne présente pas de défauts majeurs de cytokinèse à l’exception d’une certaine asymétrie de positionnement du septum (Figure 37). Ceci indique, d’ailleurs, que MinE joue, tout de même, un rôle sur le positionnement de l’anneau Z.

Figure 37 : Phénotypes des mutants du système Min des bactéries E. coli (de Boer, et al., 1988), S. elongatus (Miyagishima, et al., 2005) et Synechocystis (Mazouni, et al., 2004). Echelle = 10 µM

En outre, la délétion de l’ensemble de l’opéron minCDE provoque l’apparition de cellules présentant des morphologies aberrantes chez Synechocystis consécutif à des structures de FtsZ en spirale (Mazouni, et al., 2004) alors qu’elle entraîne l’apparition de septum mal positionné le long du cylindre chez E. coli (de Boer, et al., 1988) (Figure 37).

Ces résultats indiquent que chez Synechocystis, le rôle du système Min serait également d’empêcher la polymérisation de FtsZ en dehors du plan septal. Il est également possible que la fonction du système Min puisse différer entre les cyanobactéries (sphériques et cylindriques) et les protéobactéries (E. coli). Il serait donc important dans l’avenir d’étudier le système Min chez la cyanobactérie cylindrique S. elongatus, notamment le phénotype du mutant consécutif à l’inactivation de l’ensemble de l’opéron min.

Nous pensons également que les protéines FtsZ des bactéries cylindriques puissent différer dans leur comportement de celles des bactéries sphériques. Ainsi, (i) soit la propriété de ne pas former de spirales est intrinsèque aux protéines FtsZ d’organismes cylindriques ; (ii) soit d’autres facteurs régulent la polymérisation de FtsZ dans un seul plan chez ces organismes.

Du fait de l’appartenance de ces deux espèces aux cyanobactéries, il serait très intéressant d’essayer d’exprimer la protéine FtsZ de S. elongatus chez Synechocystis (et réciproquement) pour apporter des éclaircissements à cette question.

A.3.

La morphologie

Une des grandes différences entre S. elongatus et Synechocystis est leur morphologie (cylindrique contre sphérique) ainsi que la propriété d’alternance des plan de division de Synechocystis.

Au niveau morphologiques, les études montrent que les cellules cylindriques possèdent des morphogènes (rodA, mreB) qui sont responsables de la forme des bactéries (I.A.3.5). D’ailleurs, nous avons identifié des homologues des protéines RodA et MreB chez S. elongatus alors que nous n’avons pu en détecter chez Synechocystis.

De manière très intéressante, des analyses ont mis en évidence des liens entre la morphologie et l’enchaînement des plans de division (Addinall and Lutkenhaus, 1996; Begg

and Donachie, 1998). En effet, des auteurs ont montré que la délétion du gène rodA rendait E. coli sphérique (I.A.3.5) et que ce mutant alterne alors spontanément ses plans de divisions (Addinall and Lutkenhaus, 1996; Begg and Donachie, 1998).

Dans l’avenir, il serait très intéressant d’essayer d’exprimer les protéines RodA et MreB, de la cyanobactérie cylindrique S. elongatus, chez Synechocystis afin de voir si cela perturbe ses plans de division. Inversement, si l’on inactive séparément ou simultanément ces deux facteurs chez S. elongatus, les cellules vont-t-elles devenir sphérique et alterner spontanément leurs plans de division ?