Projet ANR-15-CE11-0001 – (An)aeroUbi : Caractérisation et importance physiologique de la biosynthèse d'ubiquinone sous différentes tensions d'oxygène
Programme : Etude des systèmes biologiques, de leur dynamique, des interactions et inter-conversions au niveau moléculaire (DS0401) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Fabien Pierrel (Laboratoire Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 541255.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : La respiration est un processus biologique essentiel car le gradient électrochimique qu’elle génère de part et d’autre des membranes est utilisé pour la production d’énergie et le transport actif. Les quinones jouent un rôle clé comme transporteurs d’électrons et de protons dans les chaînes respiratoires. Chez la bactérie modèle Escherichia coli, le pool de quinones est constitué d’ubiquinone (UQ) utilisée essentiellement dans la respiration aérobie et de deux naphtoquinones principalement impliquées dans la respiration anaérobie. En plus de la respiration, les quinones sont impliquées dans d’autres fonctions cellulaires importantes comme la formation de ponts disulfures à l’intérieur des protéines, la régulation transcriptionnelle, la lutte contre certaines formes réactives de l’oxygène et la stabilisation des membranes. 
La biosynthèse d’UQ est un processus complexe, incomplètement caractérisé, qui nécessite au moins 11 protéines. E. coli synthétise UQ aussi bien dans des conditions de croissance aérobie qu’anaérobie. Nos travaux récents sur la voie biosynthétique aérobie ont permis de préciser la fonction de certaines protéines de biosynthèse d’UQ et de découvrir de nouvelles protéines (JBC in 2013 and J Bacteriol. in 2014). Tout semble indiquer que ces protéines agissent de façon concertée au sein d’un complexe protéique. La biosynthèse et les rôles physiologiques d’UQ en conditions anaérobie et microaérobie sont moins documentés malgré le fait que ces conditions soient fréquemment rencontrées par E. coli dans différentes niches écologiques. Si certains acteurs protéiques participent aux deux voies de biosynthèse d’UQ, nos résultats préliminaires indiquent que plusieurs acteurs protéiques sont spécifiques de la voie aérobie ou de la voie anaérobie. Notre projet a pour but d’accéder à une compréhension détaillée et intégrée de la biosynthèse d’UQ chez E. coli en conditions aérobies et anaérobies et de tester l’importance physiologique de l’UQ pour diverses fonctions cellulaires dans des cultures de laboratoires ainsi que pour la colonisation de différents hôtes. Afin d’atteindre ce but, les trois partenaires emploieront une approche pluridisciplinaire incluant : (i) la génétique et physiologie des microorganismes ; (ii) la biologie moléculaire et l’imagerie cellulaire ; (iii) la chimie des protéines et la biologie structurale ainsi que la synthèse organique. 
Nous focaliserons nos études biochimiques et structurales sur les protéines Ubi que nous avons récemment identifiées afin d’établir leur fonction. Deux de ces protéines sont spécifiques de la voie aérobie et une de la voie anaérobie. Nous éluciderons leur contribution au remodelage de la biosynthèse d’UQ qui prend place entre des conditions aérobies et anaérobies. Nous chercherons en particulier à confirmer l’existence et à mieux caractériser un complexe regroupant plusieurs protéines Ubi. La biosynthèse d’UQ nécessite des étapes d’hydroxylation du noyau aromatique. Dans des conditions aérobies, cette réaction utilise l’oxygène moléculaire comme source d’atomes d’oxygène. Dans ce projet, nous proposons plusieurs approches indépendantes pour identifier, pour la première fois, les hydroxylases anaérobies de la biosynthèse d’UQ qui catalysent des réactions d’hydroxylation indépendamment de l’oxygène. Des enzymes de cette classe existent probablement chez les microorganismes anaérobies stricts mais n’ont pas encore été identifiées ni caractérisées. Finalement, afin de mieux appréhender les fonctions remplies par UQ, nous proposons des expériences in vivo basées sur la comparaison des phénotypes de mutants de la synthèse aérobie et/ou anaérobie d’UQ chez E. coli. L’ensemble de nos résultats élucidera les raisons pour lesquelles E. coli produit UQ aussi bien en présence qu’en absence de dioxygène et les moyens qu’elle a développés pour cela.