Soutenance de thèse de Lisa ZUILY

Le cuivre (Cu) est un cofacteur essentiel pour de nombreuses enzymes impliquées dans des fonctions cellulaires variées. Pourtant, en excès, ce dernier devient rapidement toxique pour la cellule. Le cuivre est bien connu pour ses puissantes propriétés antimicrobiennes et antivirales et le ou les mécanismes moléculaires sous-jacents qui contribuent à sa toxicité ont souvent été liés à la production de ROS et/ou à une mismétallation des métalloprotéines conduisant à leur inactivation. Dans cette étude nous avons démontré que le cuivre, in vivo, induisait une agrégation massive des protéines chez Escherichia coli cultivée dans des conditions anaérobies. Pour mieux comprendre les mécanismes d’action du cuivre, nous avons réalisé des expériences ex vivo dans des conditions strictement anaérobies et nous avons démontré que le Cu+, la forme réduite du cuivre présente dans l’environnement cytoplasmique bactérien, provoque une agrégation généralisée de diverses classes protéiques, et non uniquement des métalloprotéines, indépendamment des ROS et même en présence de glutathion. De plus il semble que les protéines sensibles au Cu+ subissent une déstructuration, en partie provoqué par les interactions de ce dernier avec des résidus de types cystéine et histidine. Le cuivre semble donc avoir un fort impact sur la protéostasie. Dans ce sens, nous avons également mis en évidence que certaines protéines chaperons sont nécessaires à la survie d’E. coli en condition de stress cuivre. Cette perturbation de la protéostasie a été confirmée par l'induction de la réponse au choc thermique en conditions anaérobies alors qu'en conditions aérobies c’est la réponse au stress oxydatif qui est principalement induite. Nous avons aussi mis en évidence le rôle de la chaperon redox régulée Hsp33 lors d’un stress cuivre. En effet, cette dernière est rapidement activée par le Cu+ dans des conditions anaérobies. De plus, contrairement au mécanisme d'activation connu de Hsp33 médié par la formation de liaisons disulfure, en condition de stress Cu+, Hsp33 est activé via un nouveau mécanisme incluant un événement de trans-métallation zinc/cuivre entièrement réversible. Dans l'ensemble, nos travaux fournissent de nouvelles perspectives sur le mécanisme de la toxicité du Cu+ dans des conditions anaérobies et sur les mécanismes de défense mis en place par les bactéries.

Copper (Cu) is an essential cofactor for many enzymes involved in various cellular functions. However, in excess, it becomes toxic to the cell. Copper is well known for its antimicrobial and antiviral properties. The underlying molecular mechanism(s) that contribute to its toxicity have often been related to ROS production and/or metalloproteins mismetallation. In this study we have shown that copper, in vivo, induces massive protein aggregation in E. coli under anaerobic conditions. To better understand copper's mechanisms of action, we performed ex vivo experiments under strictly anaerobic conditions and showed that Cu+, the reduced form of copper present in the bacterial cytoplasmic environment, causes widespread aggregation of various type of proteins, not only metalloproteins, independently of ROS and even in the presence of glutathione. In addition, it seems that Cu+ sensitive proteins unfold, due to interactions with cysteine and histidine residues. Therefore, copper seems to have a strong impact on proteostasis. In this sense, we have also shown that molecular chaperones are necessary for the survival of E. coli under copper stress. This disruption of proteostasis was confirmed by the induction of the heat shock response under anaerobic conditions while under aerobic conditions it is the oxidative stress response which is mainly induced. We have also demonstrated the role of the regulated redox chaperone Hsp33 during copper stress. Indeed, Hsp33 is rapidly activated by Cu+ under anaerobic conditions. Furthermore, unlike the known activation mechanism of Hsp33 mediated by the formation of disulfide bonds, under Cu+ stress conditions, Hsp33 is activated via an entirely new mechanism involving a fully reversible zinc/copper trans-metallation event. Overall, our work brings new insights into the mechanism of Cu+ toxicity under anaerobic conditions and the defense mechanisms implemented by bacteria.