Functional analyses of the structural motifs of FhaC from Bordetella pertussis, prototypic transporter of high molecular weight proteins in Gram negative bacteria

La coqueluche est une maladie respiratoire aiguë, causée par la bactérie à Gram négatif Bordetella pertussis. L’hémagglutinine filamenteuse (FHA) est une adhésine responsable de la colonisation du tractus respiratoire de l’hôte, ainsi qu’un antigène vaccinal important. La FHA est transportée à la surface de la bactérie par une protéine de membrane externe, FhaC, selon la voie de sécrétion à deux partenaires (voie TPS). Le couple FHA/FhaC sert de modèle aux systèmes TPS. FhaC fait également partie de la superfamille de transporteurs TpsB/Omp85 qui regroupe des protéines de la membrane externe des bactéries et de certains organites eucaryotes (dont les chloroplastes et mitochondries). La structure cristallographique de FhaC est la première à avoir été obtenue parmi les protéines de cette superfamille. Le tonneau β de FhaC est composé de 16 brins anti-parallèles, reliés par des boucles extracellulaires ou périplasmiques. Le canal formé par FhaC est obstrué par une hélice amino-terminale (H1) et une boucle de surface conservée dans la superfamille repliée à l’intérieur du tonneau (L6). Le domaine périplasmique de FhaC contient deux domaines « POTRA » (pour Polypeptide Transport Associated) en tandem. Ces domaines sont conservés dans la superfamille et seraient responsables d’interactions protéine-protéine. Mon travail de thèse a consisté à appréhender, à partir de la structure de FhaC, les mécanismes moléculaires de la sécrétion de la FHA. J’ai étudié le rôle d’une tétrade de résidus conservés dans la boucle L6, puis j’ai caractérisé les déterminants d’interaction présents dans les domaines POTRA de FhaC. Nos travaux ont montré que la tétrade conservée VRGY localisée à l’extrémité de L6 est impliquée dans la fonction de FhaC. Les substitutions de l’arginine et de la tyrosine en alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) ont montré que l’arginine était essentielle à la sécrétion de la FHA. De plus, la structure cristallographique de FhaC-R450A indique que la substitution ne perturbe pas la position de L6. L’analyse des propriétés du canal de ces deux variants reconstitués en bicouche lipidique montre en revanche une perturbation des canaux de FhaC-Y452A. Les substitutions n’altèrent pas l’étape de reconnaissance de FHA par FhaC. L’arginine serait donc impliquée dans une étape tardive de la sécrétion, alors que la tyrosine semble participer au positionnement de L6 ou à la régulation de sa mobilité au cours de la sécrétion et pourrait stabiliser FhaC « au repos ». J’ai également caractérisé les déterminants d’interaction des deux domaines POTRA de FhaC et montré que des résidus de l’extrémité de POTRA1 sont impliqués dans le recrutement de la FHA, probablement par interaction électrostatique. Deux sites majeurs d’interaction ont été identifiés dans des sillons hydrophobes des POTRA1 et 2, qui seraient compatibles avec l’hypothèse que les deux protéines interagissent par « beta augmentation ». L’étude du couple FHA/FhaC est un modèle pour la voie de sécrétion TPS. Nos résultats indiquent que les motifs structuraux conservés sont impliqués dans la fonction de la protéine et apportent des précisions sur les mécanismes moléculaires de la voie TPS et des transporteurs de la superfamille TpsB/Omp85.Whooping cough is an acute respiratory disease caused by the Gram-negative bacterium Bordetella pertussis. The filamentous hemagglutinin (FHA) is an adhesin involved in colonization of the host’s respiratory tract, and a major vaccine antigen. FHA is transported to the cell surface by an outer membrane protein, FhaC by the two-partner secretion (TPS) pathway. The FHA/FhaC pair is a model for TPS systems. FhaC belongs to the TpsB/Omp85 superfamily whose members are found in the outer membranes of bacteria and organelles such as chloroplasts and mitochondria. The crystal structure of FhaC has been the first in this superfamily. The β barrel of FhaC is composed of 16 anti-parallel strands, linked by extracellular loops and periplasmic turns. The FhaC channel is blocked by an amino-terminal helix (H1) and a conserved extracellular loop (L6). The periplasmic domain of FhaC has two POTRA domains (“Polypeptide Transport Associated”) that are conserved in the TpsB/Omp85 superfamily and involved in protein-protein interactions. My PhD work aimed at investigating the molecular mechanisms of FHA secretion based on the FhaC structure. I analyzed the role of a conserved tetrad in the L6 loop, and I also characterized the determinants of interaction with FHA in the POTRA domains of FhaC. Our work has shown that the conserved VRGY tetrad of L6 is involved in FhaC’s function. Substitution of arginine and tyrosine by alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) indicated that the arginine residue is essential for FHA secretion. Moreover, the crystal structure of FhaC-R450A showed that the positioning of L6 is similar to that in the wild type protein. Channel analyses of both variants reconstituted in lipid bilayers indicated that the FhaC-Y452A channels are affected. Both substitutions have no effect on the recognition step in the periplasm. The arginine residue is thus most likely involved in a late step of FHA secretion, while the tyrosine residue might participate in the positioning of L6 positioning or the regulation of its mobility in the course of secretion; it could stabilize FhaC in its “resting state”. I also characterized the determinants of interaction with FHA of the POTRA domains of FhaC and showed that residues at the extremity of POTRA1 might be involved in FHA recruitment, probably by electrostatic interactions. Two major sites of interactions were identified in hydrophobic grooves in both POTRA1 and 2, which are in agreement with a model of interaction between the 2 proteins by “beta augmentation”. The FHA/FhaC pair is a model for the TPS pathway. Our results indicate that conserved structural motifs of FhaC are involved in the function of the protein and give new insights into the molecular mechanisms of the TPS pathway and of transporters of the TpsB/Omp85 superfamily