Les bactéries interagissent avec notre corps tous les jours, entraînant des résultats positifs et négatifs. Nous comptons sur les milliards de bactéries bénéfiques de notre microbiome pour soutenir notre digestion et notre immunité. Dans le même temps, les bactéries pathogènes peuvent nous affaiblir lorsque nous sommes exposés à quelques cellules seulement.
Comprendre comment les bactéries se divisent à partir d’une cellule en deux cellules filles est crucial pour concevoir des moyens d’aider à promouvoir ou à bloquer la multiplication de différentes espèces bactériennes. La division cellulaire bactérienne, ou cytokinèse, implique la ségrégation des chromosomes répliqués afin que chaque cellule fille obtienne une copie, et le pincement de l’enveloppe cellulaire fermée entre les deux cellules filles.
Fig. 1. (En haut) Image de fluorescence à super-résolution de la protéine du divisome d’E. coli, FtsZ, au milieu de la cellule (orange) dans un contour cellulaire schématique (gris). Arrière-plan : micrographie électronique à balayage de cellules d’E. coli. (En bas) FtsZ imagé dans la même cellule d’E. coli avec une microscopie conventionnelle (à gauche) ou à super-résolution (à droite). Crédit image : Carla Coltharp.
Plusieurs décennies d’études ont fourni une liste de protéines essentielles ou « très importantes » (VIP) nécessaires à la cytokinèse, et ont révélé que ces VIP s’assemblent en un « divisome » en forme d’anneau au milieu de la cellule (Fig. 1).
Notre récent article a abordé une question de longue date sur le fonctionnement du divisome : quelle VIP fournit la force motrice pour propulser la cytokinèse, dictant ainsi sa vitesse ? Connaître cette source d’énergie nous aiderait à prioriser les protéines à cibler si nous voulons modifier la vitesse de la cytokinèse chez certaines bactéries.
Pour aborder cette question, nous avons d’abord conçu une méthode de microscopie à très haute résolution pour obtenir des images beaucoup plus nettes du divisome et des limites des cellules bactériennes, qui apparaissent floues avec les microscopes conventionnels en raison de la petite taille des bactéries (figure 1). Ces images à super-résolution nous ont permis de mesurer la vitesse de la cytokinèse dans les cellules bactériennes avec beaucoup plus de précision qu’auparavant.
Pour démêler l’importance relative de chaque VIP, nous avons créé différentes souches de bactéries avec des mutations qui « cassent » chaque VIP, une à la fois. Nous avons ensuite appliqué nos méthodes de super-résolution pour mesurer le taux de cytokinèse dans chaque souche mutante, afin de voir quelles mutations avaient les plus grands effets sur la vitesse de division.
Nous avons d’abord testé les mutations d’une protéine appelée FtsZ. FtsZ peut former de longs polymères et il a été proposé qu’elle soit le moteur de la cytokinèse car elle libère continuellement de l’énergie chimique en décomposant une molécule à haute énergie appelée GTP, un peu comme les polymères d’actine et de myosine le font pendant la division cellulaire dans les cellules humaines. À notre grande surprise, nous avons constaté que les mutations de FtsZ ne modifiaient pas de manière significative la vitesse de la cytokinèse.
Fig. 2. Modèle conceptuel de la cytokinèse chez les bactéries. Une cellule en division (à gauche) contient de l’ADN de séparation (jaune) et un divisome médian (rouge), qui resserre vers l’intérieur l’enveloppe cellulaire (marron). La vitesse et la précision de la constriction de l’enveloppe cellulaire sont déterminées par les efforts coordonnés de protéines telles que PBP3, FtsZ et MatP, représentées comme des participants à un scénario de conduite (à droite). Crédit image : Ryan McQuillen et Carla Coltharp.
En revanche, nous avons constaté que la vitesse de la cytokinèse dépendait surtout d’une VIP connue sous le nom de PBP3 (ou protéine de liaison à la pénicilline 3). PBP3 est impliquée dans la construction de la paroi cellulaire qui enveloppe les cellules bactériennes. Lorsque nous avons altéré l’activité de PBP3, la cytokinèse a ralenti de manière significative, ce qui suggère que la construction de la paroi cellulaire peut diriger la cytokinèse. Cette découverte révèle une différence clé entre la division cellulaire dans les cellules bactériennes à paroi et les cellules animales sans paroi.
De plus, lorsque nous avons coupé un lien entre les protéines du divisome associées à l’enveloppe cellulaire et les protéines du divisome associées au chromosome, nous avons découvert de façon surprenante que la cytokinèse se déroulait plus rapidement. Ce lien protéique peut donc fonctionner pour contrôler la cytokinèse afin que l’enveloppe ne se referme pas trop vite avant que les deux copies du chromosome aient fini de se séparer.
En rassemblant nos découvertes avec celles de nombreux autres groupes, nous arrivons à une nouvelle image de la cytokinèse bactérienne (Fig. 2). Si nous imaginons que l’enveloppe cellulaire est remorquée par une voiture au milieu de la cellule, PBP3 et le processus de construction de la paroi cellulaire seraient le moteur de la voiture, FtsZ dirigerait la direction de la voiture, et la liaison chromosomique empêcherait la progression vers l’avant lorsque l’enveloppe risque de rencontrer de l’ADN chromosomique non ségrégé.
Cette nouvelle image, ainsi que les méthodes que nous avons développées, ouvre de nouvelles voies pour explorer les points communs et les différences spécialisées des mécanismes de division cellulaire à travers différentes espèces bactériennes.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Département de biophysique et de chimie biophysique
École de médecine Johns Hopkins
Baltimore, MD, USA
.