La régulation de la virulence de l'agent de la coqueluche Bordetella pertussis : signalisation par le senseur-kinase BvgS

Bordetella pertussis est l’agent responsable de la coqueluche. Pour coloniser le tractus respiratoire humain, cette bactérie à Gram négatif, aérobie stricte, produit de nombreux facteurs de virulence dont l’expression est sous la dépendance du système à deux composants BvgAS. BvgS est un senseur-kinase dimérique. Chaque monomère est constitué de trois domaines putatifs de perception - deux domaines Venus flytrap périplasmiques et un domaine PAS cytoplasmique -, suivis du domaine enzymatique et deux autres domaines, de phospho-transfert et receveur, impliqués dans la cascade de phosphorylation. L’expression du régulon de virulence est activée suite à la phosphorylation par BvgS du régulateur de réponse BvgA. BvgS est en mode kinase à l’état basal, et la perception de basses températures ou de signaux chimiques comme les ions sulfate ou nicotinate cause son passage en mode phosphatase. L’étude présentée dans ce manuscrit vise à caractériser le senseur-kinase BvgS en analysant les domaines putatifs de perception ainsi que la transduction de signal qui s’effectue au sein de la molécule. L’étude de la portion périplasmique a permis de mettre en évidence, à l’état basal, un gradient de dynamique décroissant. En se fixant au domaine VFT2 proximal à la membrane, le nicotinate induirait une diminution de la dynamique du second lobe du VFT1, causée par la formation d’un bloc compact entre le domaine VFT2 et le deuxième lobe du domaine VFT1. Cette rigidification exercerait une tension sur les hélices α qui précèdent les segments transmembranaires, provoquant une transition de la portion cytoplasmique vers l’état phosphatase. La perception de modulateurs par le domaine VFT2 - ou possiblement la fixation d’un ligand dans la cavité du VFT1- modifierait cette dynamique et causerait le changement d’activité de BvgS. Ainsi, nous proposons un modèle dans lequel le VFT1 est considéré comme le moteur du système, lui impulsant une dynamique qui serait relayée ou atténuée par le domaine VFT2. Une recherche de ligands antagonistes pour le domaine VFT1 a été entreprise, selon l’idée que la fixation d’un ligand réduirait la dynamique de ce dernier. Au sein du dimère, des connecteurs prédits pour former des enroulements d’hélices α (‘coiled coil’) relient entre eux les domaines VFT et PAS, et les domaines PAS et kinase de BvgS. La transduction d’information entre les domaines périplasmiques et le site enzymatique de BvgS a été analysée par mutagénèse dirigée et ‘cysteine scanning’. Des contacts proches sont observés entre les hélices constituant le segment transmembranaire, qui ne semblent pas être modifiés après perception de modulateur. Nous suggérons donc un modèle de piston symétrique pour la transmission d’information au travers de la membrane. Le coiled coil putatif précédant le domaine PAS présente une certaine dynamique rotationnelle à l’état basal. La perception de modulateurs semble induire l’écartement de ces hélices, ce qui pourrait permettre un changement de l’interface des domaines PAS. L’étude de la topologie du domaine PAS confirme une modification de cette interface entre les modes kinase et phosphatase de BvgS. Enfin, le coiled coil reliant les domaines PAS et kinase est sujet à une forte dynamique rotationnelle à l’état basal, en accord avec un modèle de régulation de l’activité kinase proposé dans d’autres systèmes. Suite à la perception de modulateur, une rigidification marquée de ce coiled coil est observée, permettant le passage en mode phosphatase. L’existence de deux états dynamiques différents de ce coiled coil a également été mise en évidence en absence du domaine PAS.Ces études ont permis d’avancer dans la compréhension de BvgS et de proposer un modèle de la signalisation au sein de ce senseur-kinase, qui pourrait s’appliquer aux autres membres de la famille de BvgS.

Bordetella pertussis is the agent of an acute and highly contagious respiratory disease, whooping cough. In order to colonize the human respiratory tract, this strictly aerobic Gram negative bacterium produces many virulence factors, the expression of which is regulated by the BvgAS two-component system. BvgS is a sensor-kinase composed of three putative domains of perception –two periplasmic Venus flytrap domains and a cytoplasmic PAS domain -, followed by the enzymatic domain and two other domains called phosphotransfert and receiver involved in the phophorelay. The expression of the virulence regulon is activated after the phosphorylation by BvgS of the response regulator BvgA. BvgS is in a kinase mode at the basal state, and the perception of low temperatures or chemical signals like sulfate ions or nicotinate causes a shift to the phosphatase state. The study presented in this manuscript has focused on the characterization of the BvgS sensor-kinase. We have analyzed its putative domains of perception and the mechanisms of signal transduction.Investigations into the dynamics of the periplasmic moiety has provided evidence for a decreasing gradient of dynamics from N to C-terminus at the basal state. Nicotinate binding to the membrane-proximal VFT2 domains decreases the dynamics of the second lobe of VFT1. Tighter interactions between the latter and the VFT2 domain cause a tension on the α helices that precede the transmembrane segments, triggering the transition to the phosphatase state of the enzymatic portion. Perception of modulator by the VFT2 domains –or possibly binding of a ligand in the VFT1 cavity- thus appears to modify periplasmic dynamics, which shifts BvgS activity. We propose that the VFT1 domains are the motor for BvgS activity, and their dynamics are relayed or attenuated by the VFT2 domains. A search for antagonistic VFT1 ligands has been undertaken, along the idea that ligand binding may reduce their dynamics.The VFT and PAS domains, and the PAS and kinase domains are joined to each other by long α helices predicted to form coiled coils. We performed directed mutagenesis and cysteine scanning analyses to decipher signal transduction between the periplasmic domains and the enzymatic moiety of BvgS. The close contacts between the helices of the transmembrane segment are not modified after perception of the modulator, suggesting that signal transduction across the membrane is mediated by symmetrical piston motions. The putative coiled coil before the PAS domain shows rotational dynamics at the basal state. Modulator perception causes the helices to splay, and this motion may modify the PAS domains interface. Our topology analyses of the PAS domain confirm that changes occur at this interface between the kinase and phosphatase states of BvgS. Finally, the coiled coil between the PAS and kinase domains presents a strong rotational dynamics at the basal state, which is consistent with the model of regulation of kinase activity proposed for other sensor-kinases. After perception of a modulator, this coiled coil becomes more rigid, allowing the shift to the phosphatase state. The occurrence of two states of dynamics for this coiled coil has also been demonstrated in the absence of the PAS domain.These studies have advanced our understanding of BvgS and allow us to propose a model of signaling by this sensor-kinase, which may apply more broadly to other family members.