Définitions – distribution génomique

Le terme de « système à deux composants » est apparu pour la première fois en 1986 pour désigner une nouvelle classe de protéines régulatrices chez les bactéries partageant des domaines conservés et un mécanisme commun de réponse à un signal environnemental (Nixon, Ronson et al. 1986). La fonction de base des systèmes à deux composants est donc de relayer un signal spécifique à travers la membrane jusqu’aux effecteurs qui vont déclencher la réponse cellulaire. Ce relais fait intervenir une série de transferts de phosphate et est médiée par deux types de protéines : une protéine kinase à histidine (HK), généralement membranaire qui sert de senseur et une protéine régulatrice ou « response regulator » (RR) (Stock, Robinson et al. 2000). La protéine HK possède un domaine central conservé et une extrémité N-terminale variable expliquant la spécialisation de ce domaine dans la détection d’un signal spécifique (figure 16). La région C-terminale contient le domaine histidine kinase qui s’autophosphoryle en réponse à son signal spécifique. Le groupement phosphate est ensuite transféré à un résidu aspartate conservé de la protéine régulatrice. La phosphorylation de cette dernière modifie ses propriétés biochimiques ce qui se traduit le plus fréquemment par l’activation de sa capacité à fixer l’ADN et dans certains cas par la fixation à une autre protéine. En effet, dans de nombreux cas la phosphorylation conduit à la dimérisation des RR qui sous cette forme ont la capacité de se fixer aux promoteurs de leurs gènes cibles. Il est donc communément admis que la forme active du régulateur est celle phosphorylée.

Figure 16 : Schéma présentant les systèmes à deux composants classiques La protéine HK est composée d’un domaine senseur et d’un domaine autokinase incluant la région histidine phosphotransférase HPT. La protéine RR est composée d’un domaine receveur et d’un domaine de fixation à l’ADN permettant la transduction du signal. H = histidine ; D = aspartate.

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Nous savons aujourd’hui que les systèmes à deux composants sont présents à la fois chez les procaryotes et chez les eucaryotes mais sont particulièrement prédominants chez les bactéries (Stock, Robinson et al. 2000). Néanmoins, le nombre de systèmes à deux composants varie fortement d’une espèce bactérienne à l’autre. En effet, il n’y en a aucun chez Mycoplasma genitalium alors qu’il en existe plus de 150 chez Nostoc punctiforme. Le tableau 3 présente le nombre de systèmes à deux composants chez différents organismes modèles.

Tableau 3 : Nombre de systèmes à deux composants répertoriés chez différents organismes modèles (valeurs issues de la base de données MIST2.2 (Ulrich and Zhulin 2010))

Organisme considéré Nombre

d’histidines kinases

Nombre de régulateurs de

réponse

Escherichia coli K12 substr. MG1655 29 31

Caulobacter crescentus CB15 58 44

Helicobacter pylori 26695 3 6

Pseudomonas aeruginosa PAO1 59 67

Bacillus subtilis 168 38 33

Clostridium difficile 630 49 54

Enterococcus faecalis V583 14 18

Listeria monocytogenes EGD 16 16

Nostoc punctiforme PCC 73102 160 98

Staphylococcus aureus NCTC8325 17 16

Il est intéressant de noter que le nombre de systèmes à deux composants croît globalement avec la taille du génome (Capra and Laub 2012) comme on peut le voir sur la figure 17.

Les systèmes à deux composants

29 Figure 17 : Diversité des systèmes à deux composants en fonction de la taille de différents génomes bactériens. D’après (Capra and Laub 2012).

De plus, le nombre de systèmes à deux composants est étroitement corrélé aux niches écologiques et environnementales où se développe l’organisme considéré. En effet, les bactéries que l’on retrouve typiquement dans des environnements relativement stables auront moins de systèmes à deux composants dans leurs génomes que celles soumises à des changements brusques et constants de leur environnement et parfois indépendamment de la taille de leur génome. Par exemple, Myxococcus xanthus possède 136 histidines kinases et 127 régulateurs de réponse mais il est connu que cette bactérie résiste à de nombreux environnements notamment à des pH extrêmes où elle peut sporuler. Ce sont par exemple les systèmes à deux composants FrzCD et Che qui sont au cœur d’une cascade complexe de régulation permettant à cet organisme de se déplacer et modifier son cycle de vie en fonction de la disponibilité en nutriments (Zusman, Scott et al. 2007).

Chez E. coli, notre organisme d’étude, il a été décrit 29 histidines kinases et 31 régulateurs de réponse (Mizuno 1997). Ces éléments sont répartis en 24 systèmes à deux composants classiques, 5 phosphorelais et 2 régulateurs de réponse orphelins. Les phosphorelais sont une variation des systèmes à deux composants classiques où le groupement phosphate de l’histidine kinase est transféré intramoléculairement avant d’être transféré au régulateur de réponse (Laub and Goulian 2007). Le tableau 4 présente tous les systèmes à deux composants connus à ce jour chez E. coli.

Les systèmes à deux composants

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Tableau 4 : Systèmes à deux composants chez E. coli. Le nom des systèmes précise en premier le nom de la protéine senseur et en second celui de la protéine régulatrice. Les phosphorelais complexes comprennent les systèmes avec une kinase hybride et les systèmes incluant un régulateur intermédaire entre la kinase et le régulateur traductionnel. Liste réalisée à partir de la base de donnée en ligne EcoCyc (Keseler, Mackie et al. 2013).

Systèmes à deux composants classiques Organisation génétique Autres nomenclatures

AtoS-AtoC atoS-atoC

BaeS-BaeR baeS-baeR

BasS-BasR basR-basS PmrB/PmrA

CheA-CheB-CheY* cheA-cheW et cheB-cheY

CpxA-CpxR cpxR-cpxA CpxA (rssE, ecf) - CpxR (yiiA)

CreC-CreB creB-creC CreC (phoM) - CreB (yjjE)

CusS-CusR cusR-cusS CusR (ylcA) - CusS (ybcZ)

DcuS-DcuR dcuS-dcuR DcuS (yjdH) - DcuR (yjdG)

DpiB-DpiA dpiB-dpiA CitB/CitA

EnvZ-OmpR ompR-envZ

GlrK-GlrR Codés séparément GlrK (yfhK, qseE)

GlrR (yfhA, qseF)

KdpD-KdpE kdpD-kdpE

NarQ-NarP Codés séparément

NarX-NarL narX-narL

NtrB-NtrC glnL-glnG NtrB (glnR) –NtrC (glnG)

PhoR-PhoB phoB-phoR

PhoQ-PhoP phoP-phoQ

QseC-QseB qseB-qseC QseC (ygiY) – QseB (ygiX)

RstB-RstA rstA-rstB RstB (uspT) – RstA (urpT)

UhpB-UhpA uhpA-uhpB

YedV-YedW yedW-yedV

YehU-YehT yehU-yehT

YpdA-YpdB ypdA-ypdB

ZraS-ZraR zraS-zraR ZraS (hydH) – ZraR (hydG)

Phosphorelais complexes Organisation génétique Autres nomenclatures

ArcA-ArcB Codés séparément

BarA-UvrY Codés séparément UvrY (yecB)

EvgS-EvgA evgA-evgS

TorS-TorR Codés séparément TorS (yccI)

RcsC-RcsD-RcsB Codés séparément RcsD (yojN)

Régulateurs orphelins Organisation génétique Autres nomenclatures

FimZ Codé seul ybcA

RssB rssA-rssB

* L’histidine kinase CheA peut phosphoryler CheY et CheB

Contrairement à la centaine de systèmes à deux composants identifiée chez les procaryotes, seul un nombre très limité de ces éléments a été identifié chez les eucaryotes. Par exemple, dans le génome de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisae, seul un système de phosphorelais impliqué dans l’osmorégulation a été mis en évidence (SLN1-YPD1-SSK1, SKN7). Les kinases

Les systèmes à deux composants

31 eucaryotes sont relativement faciles à identifier du fait de leurs homologies de séquence, leur substrats sont quant à eux bien plus difficile à trouver par approche globale (Laub and Goulian 2007). Par ailleurs, les voies de transduction du signal impliquant des kinases eucaryotes appartiennent à des voies de transduction différentes du type « systèmes à deux composants » où cette fois la phosphorylation se fait sur des résidus tyrosine ou thréonine (ex : MAP kinases). On peut mentionner qu’en 2015 un groupe de recherche a mis au point un algorithme (MetaPred2CS) permettant de prédire les systèmes à deux composants bactériens et plus précisément les paires « histidine kinase – régulateur », basé sur les homologies de séquence entre les différents systèmes à deux composants bactériens (Kara, Vickers et al. 2015). Différentes techniques expérimentales telles que le profil de phospho-transfert ou le crible double hybride sont possibles pour ces approches mais sont relativement chronophages. Aussi, une approche bioinformatique peut être très utile, notamment chez les organismes encore peu connus.

Les systèmes à deux composants sont les circuits de signalisation cellulaire prévalents chez les bactéries. Ces systèmes sont impliqués notamment dans les réponses adaptatives au stress. Ces réponses incluent le contrôle de la virulence, du métabolisme énergétique, de l’acquisition des nutriments mais aussi l’adaptation aux changements de conditions environnementales.