Lei Zhang, Ph.D., et Michael Niederweis, Ph.D., de l’Université de l’Alabama à Birmingham ont fait ce qu’ils appellent « une étape majeure » dans la compréhension de la façon dont Mycobacterium tuberculosis acquiert le fer de son hôte humain – un processus essentiel pour la pathogenèse de cette bactérie. La tuberculose tue plus d’un million de personnes chaque année, mais sans fer, M. tuberculosis ne peut se développer.
En général, les bactéries acquièrent le fer d’une manière bien connue. Ils produisent des molécules appelées sidérophores, qui signifient en grec « porteur de fer », et ils utilisent des pompes moléculaires pour excréter les sidérophores à travers les membranes interne et externe. Les sidérophores ont la capacité de lier le fer très étroitement. Ensuite, ces sidérophores ferreux sont réintroduits dans la bactérie. À l’intérieur, le fer est libéré pour être utilisé dans les enzymes essentielles.
Cependant, la famille des Mycobacteriaceae – qui comprend les agents pathogènes microbiens de la tuberculose et de la lèpre – diffère grandement des bactéries comme E. coli, où la machinerie impliquée dans le transport des sidérophores a été largement étudiée.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs du laboratoire Niederweis de l’UAB ont fait progresser les connaissances sur les sidérophores pour M. tuberculosis, ou Mtb. En 2013, ils ont décrit deux petites protéines membranaires nécessaires à la sécrétion de sidérophores par Mtb, grâce à leur association avec des pompes à efflux connues pour constituer un système d’exportation de sidérophores au niveau de la membrane interne.
En 2014, ils ont décrit comment un double mutant de ces deux petites protéines a laissé le Mtb extrêmement sensible à de minuscules concentrations de mycobactine sidérophore Mtb, un phénomène de toxicité qu’ils ont nommé empoisonnement aux sidérophores.
En 2020, ils ont décrit comment la mutation d’un autre gène Mtb, rv0455c, présentait le même phénotype que la suppression des deux petites protéines – l’empoisonnement aux sidérophores en présence de mycobactine. De plus, le gène rv0455c est situé à proximité de l’emplacement du gène des deux petites protéines essentielles à l’efflux des sidérophores. Par conséquent, les chercheurs de l’UAB ont émis l’hypothèse que rv0455c fonctionnerait également dans la sécrétion des sidérophores.
C’était exact, comme ils le rapportent dans le Communication Nature étude, « Une protéine cinched périplasmique est nécessaire pour la sécrétion de sidérophores et la virulence de Mycobacterium tuberculosis. »
En utilisant diverses approches génétiques et biochimiques, ils ont montré que le gène rv0455c est essentiel à la croissance de Mtb dans un milieu pauvre en fer et que la sécrétion des deux sidérophores de Mtb, la mycobactine et la carboxymycobactine, est considérablement réduite dans le mutant de délétion rv0455c.
Bien que des quantités de la protéine Rv0455c se trouvent en dehors des cellules Mtb en croissance, Zhang et Niederweis ont découvert qu’une variante Rv0455c génétiquement modifiée – conçue pour s’ancrer dans la membrane interne Mtb – était fonctionnelle dans la sécrétion de sidérophores, soutenant un rôle intracellulaire pour Rv0455c. La suppression de Rv0455c d’une souche virulente de Mtb a gravement altéré la réplication de M. tuberculosis chez la souris, démontrant l’importance de Rv0455c et de la sécrétion de sidérophores au cours de la maladie.
Le gène rv0455c de Mtb n’a pas d’homologie de séquence avec des gènes de bactéries comme E. coli, mais c’est l’un des gènes centraux trouvés dans les mycobactéries, avec un degré élevé d’homologie entre les différents homologues. Avant l’étude actuelle, Rv0455c avait été annoté comme une protéine de fonction inconnue.
Les chercheurs ont découvert que les gènes homologues à rv0455c de M. smegmatis, M. leprae et M. haemophilium étaient pleinement fonctionnels chez Mtb, restaurant sa croissance en présence de mycobactine. La structure cristalline de la protéine homologue de M. smegmatis a montré une liaison disulfure dans la protéine, produisant une structure « cintrée », et la protéine présente deux plaques de surface d’acides aminés qui sont conservées de manière évolutive parmi les mycobactéries.
La fonction mécaniste de Rv0455c est encore inconnue et la protéine ne présente pas la fente profonde que l’on trouve couramment dans les protéines de liaison aux sidérophores. Cependant, Rv0455c peut jouer un rôle structurel important dans le système de sécrétion des sidérophores de Mtb, selon les chercheurs, peut-être en agissant comme une protéine accessoire essentielle ou en connectant les exportateurs de sidérophores de la membrane interne avec un canal de membrane externe putatif.
« Cette étude présente une avancée majeure dans la compréhension du système de sécrétion de sidérophores Mtb, dont les protéines n’ont aucune similitude avec d’autres systèmes de sécrétion de sidérophores bactériens », a déclaré Niederweis. « En outre, nous identifions l’empoisonnement aux sidérophores comme un mécanisme important de la perte de virulence importante du mutant Mtb dépourvu du gène rv0455c, validant la sécrétion de sidérophores en tant que cible médicamenteuse et révélant un nouveau mécanisme pour les médicaments putatifs contre la tuberculose. »
Lei Zhang et al, Une protéine cinched périplasmique est nécessaire pour la sécrétion de sidérophores et la virulence de Mycobacterium tuberculosis, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29873-6