Elucidation of new actors of coenzyme Q biosynthesis in Escherichia coli and characterisation of the Q biosynthetic protein complex.

Le coenzyme Q est une molécule lipophile rédox rencontrée chez les eucaryotes et chez la plupart des procaryotes. La structure de Q correspond à une benzoquinone substituée par une chaîne polyisoprényle dont la longueur varie selon les organismes. Q joue le rôle de transporteur d'électrons dans les chaînes respiratoires d'où provient la plupart de l'énergie de la cellule. La biosynthèse de Q chez la bactérie Escherichia coli comporte huit étapes et implique au moins neuf protéines (UbiA-UbiH et UbiX). Trois réactions d'hydroxylation sont nécessaires pour la biosynthèse de Q8 en conditions aérobies. Alors que les protéines UbiH et UbiF présentent des homologies de séquence avec des monooxygénases à flavine connues pour catalyser des réactions d'hydroxylation, UbiB qui a été proposée comme étant la troisième hydroxylase, présente uniquement une homologie de séquence avec des kinases. Nous rapportons dans ce travail que la protéine VisC, renommée UbiI, catalyse la réaction d'hydroxylation auparavant attribuée à UbiB. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines (YigP et YqiC, renommées respectivement UbiJ et UbiK) importantes pour le métabolisme de Q chez Escherichia coli puisque leur mutation diminue fortement le contenu en Q des souches mutantes. Ces protéines interagissent avec la plupart des protéines connues pour participer à la biosynthèse de Q ce qui implique l'existence d'un complexe de biosynthèse de Q. En utilisant des approches biochimiques et protéomiques, nous avons pu mettre en évidence un complexe impliquant plusieurs protéines Ubi et notamment UbiJ et UbiK. Ces deux protéines semblent avoir un rôle dans l'assemblage et/ou la stabilisation de ce complexe multiprotéique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la biosynthèse de Q dans des conditions de cultures anaérobies. Nos résultats montrent l'existence « d'hydroxylases anaérobies », inconnues à ce jour, qui remplaçent les hydroxylases aérobies UbiH, UbiI et UbiF. Grâce à une approche phylogénétique, nous identifions un gène important pour la biosynthèse de Q uniquement en conditions anaérobies suggérant une réorganisation de la biosynthèse de Q entre ces deux environnements fréquemment rencontrés par E. coli. L'ensemble de nos résultats a permis d'améliorer notre connaissance de la voie de biosynthèse procaryote de Q grâce à la découverte de nouveaux gènes impliqués dans ce processus et grâce à l'identification de la fonction moléculaire de certaines protéines.Ubiquinone (Q) is a lipophilic compound that plays an important role in electron and proton transport in the respiratory chains of Escherichia coli. Besides this important role in energy production, Q also functions as a membrane soluble antioxidant. The biosynthesis of Q8 requires eight reactions and involves at least nine proteins (UbiA-UbiH and UbiX) in Escherichia coli. Three of these reactions are hydroxylations resulting in the introduction of a hydroxyl group on carbon atoms at position 1, 5 and 6 of the aromatic ring. The C1 and C6 hydroxylation are well characterized whereas the C5 hydroxylation has been proposed to involve UbiB, a protein kinase without any sequence homology with monooxygenase. In this work, by genetic and biochemical methods we provide evidence that VisC which we renamed UbiI, displays sequence homology with monooxygenases and catalyzes the C5 hydroxylation, not UbiB. We have identified two new genes, yqiC and yigP (renammed UbiJ and UbiK) which are required only for Q8 biosynthesis in aerobic conditions. The exact role of the corresponding proteins, renamed UbiJ and UbiK, remains unknown. These proteins are able to interact with other Ubi proteins to be able to produce Q supporting the protein complex hypothesis. Our progress on the characterization of an Ubi-complex regrouping several Ubi proteins suggest that UbiJ and UbiK may fulfill functions related to the Ubi-complex stability. Mutants affected in hydroxylation steps are deficient for Q8 in aerobic conditions but recover a wild type Q8 content when grown in anaerobic conditions. This intriguing observation supports the existence of an alternative hydroxylation system independent from dioxygen which has not been characterized so far. By phylogenetic studies, we have identified a new gene in which the deletion affect the biosynthesis of Q only in anaerobic conditions suggesting a reorganization of Q biosynthesis in these two conditions. Our results has improved our knowledge of the prokaryotic Q biosynthetic pathway through the discovery of new genes involved in this process and through the identification of the molecular function of some proteins