Soutenance de thèse de FERNANDEZ MACGREGOR AUTRIQUE Jaime
Titre de thèse
quantification des perturbations des réseaux humains par les protéines bactériennes: de la bioinformatique à l'interactomique expérimentale à haut débit (et de retour)
quantifying human network perturbations by bacterial proteins: from bioinformatics to high-throughput experimental interactomics and back
Résumé de la thèse
Le corps humain est un écosystème abritant des trillions de microorganismes dont la plupart sont des bactéries. Parmi celles-ci, les membres du phylum des Pseudomonadota sont munies de nanomachines appelées systèmes de sécrétion, avec lesquelles elles peuvent injecter des protéines dites effecteurs dans le cytosol des cellules humaines. Pour certaines espèces de bactéries pathogéniques, les effecteurs jouent des rôles fondamentaux pendant l'infection, qui sont directement reliés à leur capacité d'interagir avec les protéines humaines et d'ainsi détourner certaines fonctions des cellules humaines à leur bénéfice. Cependant, le rôle des effecteurs des bactéries résidentes du microbiote est globalement inconnu.
Les interactions entre protéines humaines sont souvent médiées par des modules, qui peuvent être des domaines globulaires ou des motifs courts linéaires, qui sont mimétisés par des régions des effecteurs, voire par des effecteurs entiers, leur permettant potentiellement de séquestrer des protéines humaines.
Dans cette thèse on a cartographié deux interactomes entre protéines humaines et effecteurs bactériens afin de mieux comprendre le dialogue moléculaire entre le corps humain, les bactéries qui l'habitent et celles qui lui sont pathogéniques.
D'abord nous avons caractérisé les interactions binaires entre protéines entières humaines et effecteurs de souches de Pseudomonadota du microbiote intestinal d'individus sains et ensuite nous avons quantifié une modalité d'interaction domaine-motif entre la famille entière de domaines PDZ humains et les motifs de liaison des PDZ (PBM) présents dans le C-terminus d'effecteurs bactériens de pathogènes de l'intestin et des poumons, ainsi que ceux de souches résidentes du microbiote intestinal
Pour l'interactome entre protéines entières, nous trouvons ~1,200 interactions entre 289 effecteurs bactériens et 430 protéines humaines qui sont globalement impliquées dans des maladies immunitaires, le cancer et des processus métaboliques. De même, certains effecteurs modulent la signalisation par NF-κB et la sécrétion de cytokines, toutes les deux impliquées dans la réponse immunitaire et les processus inflammatoires. Globalement nos résultats indiquent que les effecteurs de souches du microbiote intestinal sont différents au niveaux séquence et structure de ceux de souches pathogéniques et sont capables de moduler la réponse immunitaire dans les cellules humaines.
Pour l'interactome quantitatif, nous quantifions ~9,000 interactions entre PDZ humains et PBM bactériens. Plusieurs PBM bactériens interagissent avec les PDZ humains avec plus haute affinité que leurs interacteurs plus forts humains, y compris ceux de pathogènes connus pour lesquels les interactions avec les PDZ sont essentielles pour l'infection, ainsi que ceux des bactéries du microbiote intestinal dont les fonctions sont inconnues. Parmi les PDZ avec le plus d'interactions figurent ceux impliqués dans la régulation de transport ionique, du transfert de fluide et du maintien des jonctions cellulaires qui sont liés aux maladies intestinales et pulmonaires. En tout, on montre que les PDZ humains sont des cibles importantes des effecteurs bactériens et que les interactomes quantitatifs sont d'une énorme richesse pour décrire les mécanismes de compétition moléculaires. À ce jour et à notre connaissance, notre interactome PDZ-PBM représente le plus grand interactome quantitatif entre domaines humains et motifs bactériens.
Thesis resume
The human body is an ecosystem housing trillions of microorganisms, the majority of which are bacteria. Among these, members of the Pseudomonadota phylum are uniquely equipped with secretion systems with which they can inject effector proteins into their host's cells. Effectors from pathogenic bacteria play key roles during infection by hijacking host cellular functions to their benefit, by interacting with host proteins. These interactions are enabled by mimicry of eukaryotic-like globular domains and short linear motifs by bacterial effectors. Conversely, the roles of effectors from resident microbiota bacteria are largely unknown.
During my PhD we charted two large scale interactomes to further understand the molecular mechanisms employed by bacteria to target human proteins.
First, we mapped interactions between full-length human proteins and bacterial effectors secreted by Pseudomonadota bacteria from the gut microbiota of healthy individuals and then we charted a quantitative interactome map between the human PDZ domain family and C-terminal PDZ-binding motifs (PBMs) in effectors from gut and lung pathogens as well as resident gut microbiota bacteria.
For the interactome between full-length proteins, we report ~1,200 interactions between 289 bacterial effectors and 430 human proteins that are enriched for functions related to immune disease, cancer and metabolic processes. Further, we show certain effectors modulate NF-κB signaling and cytokine secretion, both of which are implicated in immune and inflammatory processes. Our results show that effectors secreted by gut microbiota bacteria are different at the sequence and structure levels from those secreted by pathogens and can modulate immune response in human cells.
For the quantitative interactome, we quantified ~9,000 interactions between human PDZ domains and bacterial PBMs. We show several bacterial PBMs interact with human PDZ domains with higher affinity than their human binding partners, including those for which PDZ-PBM mediated interactions are essential for virulence, as well as those form gut microbiota effectors with unknown functions. Among the more broadly targeted PDZ domains are those from proteins involved in fluid and electrolyte balance, cell polarity and cell-junctions, all of which are perturbed during infection and tied to both intestinal and pulmonary disease. Altogether, we show that human PDZ domains are targeted by both pathogen and microbiota bacteria and highlight the interest of quantifying their molecular dialogue with human cells. To our knowledge, our PDZ-PBM interactome represents the largest interactome to date between human globular domains and bacterial motifs.