Structure de la queue du phage T5 et mécanisme de perforation de l'enveloppe bactérienne par ...

235 Pages·2017·10.84 MB·French

Structure de la queue du phage T5 et mécanisme de
perforation de l’enveloppe bactérienne par les
Siphoviridae
Charles-Adrien Arnaud
To cite this version:
Charles-AdrienArnaud. StructuredelaqueueduphageT5etmécanismedeperforationdel’enveloppe
bactérienne par les Siphoviridae. Biologie structurale [q-bio.BM]. Université Grenoble Alpes, 2017.
Français. ￿NNT: 2017GREAV086￿. ￿tel-01771870￿
HAL Id: tel-01771870
https://theses.hal.science/tel-01771870
Submitted on 20 Apr 2018
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:2)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:10)(cid:4)(cid:5)(cid:11)(cid:8)(cid:5)(cid:12)(cid:4)(cid:13)(cid:14)(cid:8)(cid:5)(cid:14)(cid:8)
(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:1)(cid:5)(cid:9)(cid:10)(cid:11)(cid:6)(cid:5)(cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:11)(cid:8)(cid:7)(cid:14)(cid:14)(cid:9)(cid:15)(cid:13)(cid:9)(cid:1)(cid:16)(cid:11)(cid:9)(cid:15)(cid:17)(cid:18)(cid:5)(cid:10)(cid:4)(cid:17)(cid:1)(cid:16)(cid:11)
(cid:19)(cid:10)(cid:5)(cid:15)(cid:7)(cid:20)(cid:12)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:12)(cid:21)(cid:5)(cid:4)
(cid:15)(cid:16)(cid:17)(cid:18)(cid:10)(cid:13)(cid:11)(cid:10)(cid:7)(cid:17)(cid:5)(cid:19)(cid:5)(cid:20)(cid:10)(cid:2)(cid:11)(cid:2)(cid:12)(cid:10)(cid:8)(cid:5)(cid:15)(cid:7)(cid:4)(cid:3)(cid:18)(cid:7)(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:11)(cid:8)(cid:5)(cid:8)(cid:7)(cid:5)(cid:21)(cid:13)(cid:9)(cid:2)(cid:6)(cid:10)(cid:2)(cid:11)(cid:2)(cid:12)(cid:10)(cid:8)
(cid:22)(cid:4)(cid:4)(cid:23)(cid:7)(cid:17)(cid:5)(cid:24)(cid:10)(cid:9)(cid:10)(cid:25)(cid:7)(cid:17)(cid:4)(cid:10)(cid:8)(cid:11)(cid:5)(cid:19)(cid:5)(cid:26)(cid:27)(cid:5)(cid:24)(cid:13)(cid:10)(cid:5)(cid:26)(cid:28)(cid:29)(cid:30)
(cid:1)(cid:4)(cid:17)(cid:25)(cid:8)(cid:9)(cid:7)(cid:17)(cid:8)(cid:5)(cid:16)(cid:13)(cid:4)
(cid:8)(cid:22)(cid:23)(cid:24)(cid:25)(cid:26)(cid:27)(cid:28)(cid:13)(cid:29)(cid:24)(cid:30)(cid:26)(cid:31)(cid:11)(cid:13)(cid:10)(cid:15)(cid:13)(cid:9)(cid:6)
(cid:31) !(cid:25)(cid:8)(cid:5)(cid:14)(cid:10)(cid:4)(cid:10)(cid:12)(cid:17)(cid:8)(cid:5)(cid:16)(cid:13)(cid:4)(cid:5)(cid:8) !(cid:30)(cid:25)(cid:26)(cid:11)(cid:20)(cid:24)(cid:26)"#$(cid:31)
(cid:16)(cid:4)(cid:17)(cid:16)(cid:13)(cid:4)(cid:17)(cid:8)(cid:5)(cid:13)(cid:3)(cid:5)(cid:25)(cid:8)(cid:10)(cid:9)(cid:5)(cid:14)(cid:8)(cid:5)(cid:12)%(cid:17)(cid:31)(cid:27)#(cid:30)#&#(cid:11)(cid:29)(cid:26)(cid:11)(cid:20)(cid:30)$(cid:25)$’(cid:30)(cid:26)(cid:11)(cid:4)#(cid:24)&!#&(cid:24)(cid:23)(cid:25)(cid:26)
(cid:14)(cid:13)(cid:9)(cid:25)(cid:5)(cid:25)((cid:16)!$(cid:25)(cid:26)(cid:11)(cid:6)$!#$(cid:24)(cid:23)(cid:25)(cid:11)(cid:8)(cid:22)(cid:30))(cid:30)(cid:26)(cid:11)(cid:26)#(cid:11)(cid:4)!(cid:30)(cid:26)(cid:31)!(cid:26)(cid:27)(cid:11)(cid:29)&(cid:11)(cid:18)(cid:30)*(cid:23)(cid:31)#
(cid:4)#(cid:24)&!#&(cid:24)(cid:26)(cid:11)(cid:29)(cid:26)(cid:11)(cid:25)(cid:23)(cid:11)+&(cid:26)&(cid:26)(cid:11)(cid:29)&(cid:11),(cid:22)(cid:23)’(cid:26)(cid:11)(cid:1)-(cid:11)(cid:26)#(cid:11)
) !(cid:23)(cid:31)(cid:30)(cid:27))(cid:26)(cid:11)(cid:29)(cid:26)(cid:11),(cid:26)(cid:24).$(cid:24)(cid:23)#(cid:30)$(cid:31)(cid:11)(cid:29)(cid:26)(cid:11)(cid:25)%(cid:26)(cid:31)*(cid:26)(cid:25)$,,(cid:26)(cid:11)
/(cid:23)!# (cid:24)(cid:30)(cid:26)(cid:31)(cid:31)(cid:26)(cid:11),(cid:23)(cid:24)(cid:11)(cid:25)(cid:26)(cid:27)(cid:11)(cid:4)(cid:30),(cid:22)$*(cid:30)(cid:24)(cid:30)(cid:29)(cid:23)(cid:26)
(cid:4)#(cid:24)&!#&(cid:24)(cid:26)(cid:11)$.(cid:11),(cid:22)(cid:23)’(cid:26)(cid:11)(cid:1)-(cid:11)#(cid:23)(cid:30)(cid:25)(cid:11)(cid:23)(cid:31)(cid:29)
)(cid:26)!(cid:22)(cid:23)(cid:31)(cid:30)(cid:27))(cid:11)$.(cid:11)/(cid:23)!#(cid:26)(cid:24)(cid:30)(cid:23)(cid:25)(cid:11)(cid:26)(cid:31)*(cid:26)(cid:25)$,(cid:26)
,(cid:26)(cid:24).$(cid:24)(cid:23)#(cid:30)$(cid:31)(cid:11)/"(cid:11)(cid:4)(cid:30),(cid:22)$*(cid:30)(cid:24)(cid:30)(cid:29)(cid:23)(cid:26)
(cid:31) !(cid:25)(cid:8)(cid:5)(cid:25)(cid:2)(cid:3)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:3)(cid:8)(cid:5)(cid:16)(cid:3)(cid:6)(cid:11)(cid:10)"(cid:3)(cid:8)(cid:24)(cid:8)(cid:9)(cid:7)(cid:5)(cid:11)(cid:8)(cid:11)01(cid:11)(cid:7)!#$/(cid:24)(cid:26)(cid:11)2304#
(cid:14)(cid:8)$(cid:13)(cid:9)(cid:7)(cid:5)(cid:11)(cid:8)(cid:5)%(cid:3)(cid:4)&(cid:5)(cid:18)(cid:2)(cid:24)(cid:16)(cid:2)(cid:25)(cid:17)(cid:5)(cid:14)(cid:8)(cid:5)(cid:19)(cid:5)
(cid:21)(cid:24) (cid:27)(cid:30)(cid:29)(cid:26)(cid:31)#(cid:26)(cid:11)5(cid:11)(cid:6)(cid:24)6(cid:11)(cid:17)(cid:24)(cid:30)(cid:31)(cid:23)(cid:11)(cid:19)(cid:9)(cid:1)(cid:4)(cid:8)(cid:2)(cid:5)
’()*+(cid:31))(+*(cid:5)’*(cid:5))*+,*)+,*#(cid:5)+(cid:21))(cid:15)(cid:5)’*-*.(cid:22)(cid:31)(/(cid:21)(cid:5)(cid:22)-(cid:1)*(cid:15)
(cid:10)(cid:23),,$(cid:24)#(cid:26)&(cid:24)(cid:11)5(cid:11)(cid:6)(cid:24)6(cid:11)(cid:4)# ,(cid:22)(cid:23)(cid:31)(cid:30)(cid:26)(cid:11)(cid:10)(cid:13)(cid:18)(cid:13)(cid:9)(cid:6)
0(cid:22)((cid:31))*(cid:5)’*(cid:5)+/(cid:21)1*)*(cid:21)+*(cid:15)#(cid:5)2(cid:21)(3*)(cid:15)((cid:31)*(cid:5)-4/(cid:21)(cid:5)(cid:29)
(cid:10)(cid:23),,$(cid:24)#(cid:26)&(cid:24)(cid:11)5(cid:11)(cid:6)(cid:24)6(cid:11)(cid:4)$,(cid:22)(cid:30)(cid:26)(cid:11)7(cid:17)(cid:15)(cid:15)(cid:28)8(cid:9)(cid:4)(cid:1)(cid:17)(cid:15)
’()*+(cid:31))(+*(cid:5)’*(cid:5))*+,*)+,*#(cid:5)+*(cid:22)(cid:5)(cid:15)(cid:22)+-(cid:22)4
(cid:5)9(cid:23))(cid:30)(cid:31)(cid:23)#(cid:26)&(cid:24)(cid:11)5(cid:11)(cid:6)(cid:24)6(cid:11):*(cid:26)(cid:27)(cid:11)(cid:19)(cid:13)(cid:9)(cid:6)(cid:17)(cid:15)
’()*+(cid:31)*2)(cid:5)’*(cid:5))*+,*)+,*#(cid:5)+(cid:21))(cid:15)(cid:5)’*-*.(cid:22)(cid:31)(/(cid:21)(cid:5)(-*5’*51)(cid:22)(cid:21)+*
(cid:15)2’
(cid:6)(cid:30)(cid:24)(cid:26)!#(cid:24)(cid:30)!(cid:26)(cid:11)(cid:29)(cid:26)(cid:11)#(cid:22);(cid:27)(cid:26)(cid:11)5(cid:11)(cid:6)(cid:24)6(cid:11)(cid:8) !(cid:30)(cid:25)(cid:26)(cid:11)(cid:20)(cid:10)(cid:5):(cid:1)(cid:7)(cid:15)
’()*+(cid:31))(+*(cid:5)’*(cid:5))*+,*)+,*#(cid:5)+(cid:21))(cid:15)(cid:5)’*-*.(cid:22)(cid:31)(/(cid:21)(cid:5)(cid:22)-(cid:1)*(cid:15)
Université Grenoble Alpes Institut de Biologie Structurale
Thèse
présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR en
BIOLOGIE
Structure de la queue du phage
T5 et mécanisme de perforation
de l’enveloppe bactérienne par
les Siphoviridae
Charles-Adrien ARNAUD
[email protected]
Soutenue publiquement le Thèse à soutenir le 19/10/2017 devant un jury com-
posé de :
Présidente Irina Gutsche IBS - CNRS, Grenoble
Rapporteuses Stéphanie Ravaud IBCP - Université Claude bernard, Lyon 1
Sophie Zinn-Justin I2BC - CEA, Gif-Sur-Yvette
Examinateur Yves Gaudin I2BC - CNRS, Gif-sur-Yvette
Directrice de thèse Cécile Breyton IBS - CNRS, Grenoble
Ecole doctorale de Chimie et des Sciences du Vivant

Résumé
La grande majorité des bactériophages connus ont un virion équipé d’une queue
permettantlareconnaissancedel’hôte,laperforationdel’enveloppebactérienneet
l’éjectiondumatérielgénétiqueviraldirectementdanslecytoplasmedelabactérie.
La famille des Siphoviridae représente 60% des phages caudés et est caractérisée
par une queue longue et non-contractile. Le tube de la queue est formé par la
protéine majeur de tube (Tail Tube Protein - TTP) polymérisée autour de la
protéine vernier (Tape Measure Protein - TMP). L’extrémité distale de la queue
est équipée d’un complexe de protéines dans lequel se trouve les protéines de
liaison au récepteur (Receptor Binding Protein - RBP). La séquence d’évènements
permettant l’éjection de l’ADN et l’infection est encore mal décrite.
Au cours de cette thèse, la structure de pb6, la TTP du phage T5 qui s’assemble
de façon non-canonique en trimères, a été résolue par cristallographie à une réso-
lution de 2,2 Å. L’analyse de cette structure confirme cependant une homologie
structurale de pb6 avec les autres TTPs et avec des protéines bactériennes du
système de sécrétion de type VI et des pyocines R. Une étude RMN comparant
pb6 dans ses états de monomère et de tube polymérisé est en cours et permettra
à terme une description très fine de cet assemblage.
De plus, les structures du complexe distal de queue et du tube de la queue (tube
de pb6) ont été résolues des résolutions intermédiaires avant et après interaction
avec le récepteur bactérien. Ces structures obtenues par cryo-microscopie électro-
nique révèlent une absence de changements structuraux au niveau du tube, en
contradiction avec le modèle jusque-là proposé.
L’ensemble de ces données ainsi que des expériences biochimiques et la compa-
raison avec d’autres systèmes permettent de proposer un nouveau modèle pour les
premières étapes de l’infection des Siphoviridae. Ce modèle a également un intérêt
pour l’étude du mécanisme d’autres familles de virus (Myoviridae). Les différences,
similarités et parentés d’éléments de la queue du phage T5 avec d’autres systèmes
de perforation de membrane sont discutés.
Mots clés : virologie bactérienne, cryo-microscopie électronique, cristallogra-
phie, RMN, biochimie.
i

Structure of phage T5 tail and
mechanism of bacterial envelope
perforation by Siphoviridae

Abstract
The vast majority (96%) of bacteriophages possess a tail that allows host cell
recognition, cell wall perforation and safe viral DNA channelling from the capsid
to the cytoplasm of the bacterium. Siphoviridae is a familly representing 60%
of all tailed phages characterized by a long flexible tail. The tail tube is formed
by stacks of hexamers of the tail tube protein (TTP) polymerised around the
tape measure protein (TMP). At the distal end of the tail, the tail tip complex
harbours the receptor binding proteins (RBP). For these phages, little is known
on the mechanism that triggers DNA ejection after binding to the host.
We report the crystal structure at 2.2 Å resolution of pb6, an unusual trimeric
TTP, of siphophage T5. Structure analysis however confirms the homology of
pb6 with all TTPs and related tube proteins of bacterial puncturing devices (type
VI secretion system and R-pyocin). We fit this structure into the cryo-electron
microscopy map of the tail tube determined at 6 Å resolution. Comparing the
structure of the tail tube before and after interaction with the host receptor, we
show that unlike previously proposed, the host binding information is not propa-
gated to the capsid by the tail tube, as the two structures, at that resolution, are
identical. An ambitious NMR comparative study of the TTP in its monomeric
and tube form is underway to further describe this assembly.
Moreover, the structures of the tail tip complex prior and after interaction with
the bacterial receptor were solved at intermediate resolution. These structures
reveal interesting conformationnal changes.
Together with biochemical data and comparison with other known system in the
litterature we are able to propose a model for Siphoviridae very first steps of infec-
tion. These findings might be of interest for the mechanism of other viral familly
(notably Myoviridae) and similarity with other membrane perforating systems is
discussed.
Keywords: bacteriophage,cryo-electronmicroscopy,X-raycrystallography,NMR,
biochemistry.
v