Les protéines de type LuxR

La perception du signal AHL repose sur un senseur qui est aussi un régulateur de

transcription appartenant à la famille LuxR, en référence à la protéine régulatrice initialement

mise en évidence chez V. fisheri et régulant le phénomène de bioluminescence. L’alignement

des acides aminés des différentes protéines de type LuxR (environ deux cent cinquante acides

aminés) révèle peu de similarité entre les différentes séquences protéiques (de 18% à 25%

d’identité) ; seuls cinq résidus seraient conservés chez l’ensemble des protéines LuxR

(Whitehead et al., 2001). En revanche, les protéines homologues de LuxR possèdent une

architecture conservée composée de trois régions : une région N-terminale impliquée dans

l’interaction avec les AHLs, une région plus centrale permettant l’oligomérisation de la

protéine, et une région C-terminale possédant un motif hélice-tour-hélice impliqué dans la

fixation sur l’ADN (Fuqua & Greenberg, 2002; Stevens & Greenberg, 1997). La fixation de

l’AHL au niveau des protéines de type LuxR a été démontrée expérimentalement pour la

protéine TraR, homologue de LuxR identifié chez Agrobacterium tumefaciens ; cette dernière

a été purifiée complexée à l’AHL (Zhu & Winans, 1999). Ces protéines peuvent se lier aux

Activateur

(e.g. LuxR, TraR, RhlR, LasR)

Répresseur

(e.g. EsaR, ExpR, VirR)

ADN

Domaine

C-terminal

Domaine

N-terminal

Figure 1.5: Représentation schématique des modifications structurales induites par la

liaison des AHLs sur les protéines de type LuxR activatrices ou inhibitrices de la

transcription.

Pour les protéines de type LuxR agissant comme des activateurs transcriptionnels : en

absence d’AHLs , le domaine N-terminal (N-ter) masque le domaine C-terminal (C-ter)

impliqué dans la liaison avec l’ADN et empêche la formation du complexe ADN/LuxR. La

liaison des AHLs au domaine N-ter induit des changements conformationnels libérant le

domaine C-ter, ce qui permet l’interaction ADN/LuxR et l’activation de la transcription de

gènes cibles. LuxR, TraR, RhlR, LasR sont des homologues de LuxR identifiés

respectivement chez V. fischeri, A. tumefaciens et P. aeruginosa. Pour les protéines de type

LuxR agissant comme des répresseurs: en absence d’AHLs, ces protéines sont fixées sur les

promoteurs des gènes cibles, réprimant leur transcription. La fixation d’AHLs sur le

domaine N-ter provoque la dimérisation des régulateurs, ce qui entraîne la dissociation du

complexe ADN/LuxR et donc la levée de la répression. Ces régulateurs pourraient

également activer la transcription d’autres gènes en absence d’AHLs. EsaR, ExpR, VirR,

sont des homologues de LuxR identifiés respectivement chez P. stewartii, E. chrysanthemi

et E. carotovora.

AHLs dans un ratio protéine : ligand de 1:1, induisant leur propre multimérisation, ce qui

provoquerait des modifications conformationelles de la protéine libérant leur domaine de

fixation à l’ADN (Figure 1.5).

La partie C-terminale des protéines de type LuxR possède une symétrie axiale qui

favorise la fixation de cette protéine au niveau de séquences palindromiques d’ADN

d’environ 18-20 pb, appelées boîte lux (Whiteley & Greenberg, 2001). La fixation des

protéines au niveau des boîtes lux, qui se situent à environ 40 pb en amont des gènes régulés,

active la transcription de ces gènes cibles, en interagissant avec la partie C-terminale de la

sous unité α de l’ARN polymérase (Egland & Greenberg, 1999). Des résidus critiques pour

cette interaction ont été identifiés au niveau de la protéine TraR d’A. tumefaciens (White &

Winans, 2005). Ces séquences palindromiques ont été mises en évidence chez de nombreuses

bactéries (boîtes las chez P. aeruginosa, boîtes tra chez A. tumefaciens) ; cependant la

présence de ce type de séquences en amont des gènes régulés ne semble pas systématique.

Contrairement aux protéines de type LuxR qui régulent la transcription de gènes cibles

en réponse à la présence d’AHLs, plusieurs homologues de LuxR ont la capacité d’exister

sous forme de dimère et de se lier à l’ADN en absence d’AHLs, tel que EsaR de Pantoea

stewartii (Figure 1.5). L’expression de gènes cibles est réprimée par l’interaction de ces

régulateurs au niveau de boîtes lux chevauchant les promoteurs de ces gènes. En effet, la

présence de répresseurs au niveau des boîtes lux provoque un encombrement stérique,

empêchant l’accès de l’ARN polymérase. L’association des AHLs aux régulateurs diminue

leur affinité pour l’ADN et lève donc l’effet répresseur.

Chez de nombreuses bactéries, telles que A. tumefaciens, P. aeruginosa, V. fischeri,

les gènes codant les AHLs synthases font partie de l’ensemble des gènes régulés positivement

par le complexe LuxR/AHL. Cette boucle d’autorégulation positive provoquerait une

amplification significative de la production d’AHLs, ce qui permettrait de coordonner de

manière efficace, au niveau de la population entière, l’ensemble des phénotypes régulés par

QS. A l’inverse, pour limiter la régulation des gènes cibles lorsque les conditions ne sont pas

favorables à la bactérie, des protéines anti-activatrices telles que TraM et TrlR chez A.

tumefaciens ou QscR chez P. aeruginosa, peuvent interagir avec des protéines de type LuxR

en limitant leur activité. Ces protéines auraient pour rôle d’empêcher la régulation des gènes

cibles du QS à faible densité cellulaire et donc de limiter la synthèse d’AHLs, notamment en

bloquant le processus d’autorégulation.

Plusieurs couples de gènes homologues à luxR/I peuvent être présents chez une même

souche bactérienne ; ces différents systèmes luxR/I sont souvent organisés en réseaux si bien

qu’un système luxR/I peut exercer un contrôle transcriptionnel sur un autre système. Chez P.

aeruginosa, la régulation par QS implique deux couples de gènes homologues de luxR/I, le

système lasR/I et le système rhlR/I (Gambello & Iglewski, 1991; Latifi et al., 1995; Passador

et al., 1993). Les systèmes lasR/I et rhlR/I s’expriment de manière hiérarchique de telle sorte

que le système lasR/I exerce une régulation transcriptionnelle positive sur les gènes rhlR et

rhlI (Latifi et al., 1996). Dans ce cas, la production d’AHLs à partir de RhlI va donc dépendre

en partie de l’expression en amont du sytème lasR/I et de la formation du complexe

LasR/AHL.

1.2. Régulation du QS par des régulateurs transcriptionnels