Base structurelle de la synthèse du peptidoglycane par E. coli RodA

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 5151 (2023) Citer cet article

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Le peptidoglycane (PG) est un composant structurel essentiel de la paroi cellulaire bactérienne qui est synthétisé lors de la division et de l'élongation cellulaire. Le PG forme un polymère extracellulaire crucial pour la viabilité cellulaire, dont la synthèse est la cible de nombreux antibiotiques. L'assemblage du PG nécessite une glycosyltransférase (GT) pour générer un polymère de glycane à l'aide d'un substrat lipidique II, qui est ensuite réticulé au PG existant via une réaction de transpeptidase (TP). Une enzyme GT de forme, d'allongement, de division et de sporulation (SEDS) et une protéine de liaison à la pénicilline (PBP) de classe B forment le cœur du complexe multiprotéique requis pour l'assemblage du PG. Ici, nous avons utilisé la microscopie cryoélectronique à particule unique pour déterminer la structure d'un complexe E. coli RodA-PBP2 spécifique à l'élongation cellulaire. Nous combinons ces informations avec des analyses biochimiques, génétiques, spectroscopiques et informatiques pour identifier les sites de liaison des lipides II et proposons un mécanisme de polymérisation des lipides II. Nos données suggèrent une hypothèse de mouvement du brin glycane du site de polymérisation lipidique II de RodA vers le site TP de PBP2, reliant fonctionnellement ces deux activités enzymatiques centrales nécessaires à la biosynthèse du peptidoglycane pariétal.

La forme des cellules chez les bactéries est déterminée et maintenue par le polymère extracellulaire peptidoglycane (PG), un sacculus en forme de maillage entourant la membrane cytoplasmique composé de chaînes de glycane polymérisées réticulées par de courts peptides1. La synthèse des PG limite le taux de croissance bactérienne et sa perturbation entraîne une lyse cellulaire ou un arrêt de la croissance, comme l'exploitent de nombreux produits naturels et antibiotiques semi-synthétiques2,3,4,5. Ceux-ci incluent les β-lactamines, les antibiotiques les plus efficaces sur le plan clinique à ce jour6,7. Les protéines cytoplasmiques qui synthétisent le précurseur PG, le lipide II – un disaccharide lié à l'undécaprényle (C55) pyrophosphate (Und-PP) de la N-acétylglucosamine (GlcNAc) et de l'acide N-acétylmuramique (MurNAc) – pentapeptide – et les protéines extracellulaires responsables de la polymérisation ultérieure du PG, ont été caractérisées individuellement, biochimiquement et structurellement8,9.

Dans le périplasme, la biosynthèse des PG commence par une glycosyltransférase (GT) spécifique du lipide II qui forme un polymère de brin de glycane en liant les disaccharides de deux molécules du lipide II, l'une appelée donneur et l'autre accepteur, et libérant ainsi l'Und-PP de le site donneur (Fig. 1a). Une fois que les deux molécules initiales du Lipide II ont été liées ensemble, le tétra-disaccharide résultant attaché à Und-PP, appelé Lipide IV, devient le donneur d'un autre accepteur du Lipide II, liant à son tour son tétra-saccharide au di-saccharide Lipide II. pour donner le Lipide VI. Ce cycle se répète de manière processuelle, créant des chaînes polysaccharides de plus en plus longues attachées à Und-PP (le chiffre romain indique le nombre de groupes monosaccharides dans la chaîne polysaccharide). Une fois que le polymère de glycane en croissance atteint une longueur suffisante, il est attaché au sacculus PG existant via des liaisons peptidiques entre le pentapeptide du brin de glycane et une tige peptidique sur le sacculus PG existant par une transpeptidase (TP) pour produire du PG réticulé (Fig. 1a). Dans E. coli, le GT RodA de la famille SEDS (Forme, Elongation, Division et Sporulation) et PBP2, la protéine de liaison à la pénicilline monofonctionnelle de classe B TP, assurent la médiation de ces tâches enzymatiques respectives10. RodA est une protéine membranaire intégrale constituée de dix hélices transmembranaires (TM)11, tandis que PBP2 possède une seule hélice TM et un domaine extracellulaire avec un pli PBP classique de classe B contenant le site actif TP12,13. Ensemble, ils constituent le noyau de l’élongasome14, le complexe responsable de la détermination de la forme des bâtonnets bactériens. Malgré les progrès récents dans notre compréhension de cette machine moléculaire15,16, notamment en ce qui concerne la structure cristalline d'un complexe Thermus thermophilus RodA-PBP217, des questions mécanistiques fondamentales restent en suspens. Ceux-ci incluent la caractérisation des déterminants moléculaires et des états conformationnels requis pour i) la liaison du lipide II, ii) la polymérisation GT des brins de glycane et iii) la translocation ultérieure du polymère de glycane vers le site actif TP.