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La résistance au froid chez les La résistance au froid chez les microorganismesmicroorganismes

Biotopes froids majoritaires sur terre :Biotopes froids majoritaires sur terre :

- mers & océans ont une température - mers & océans ont une température moyenne de 5°Cmoyenne de 5°C

- ¾ de la planète < 15 °C- ¾ de la planète < 15 °CLimite absolue à la vie : présence d’eau Limite absolue à la vie : présence d’eau

liquide nécessaireliquide nécessaire

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Psychrophile, psychrotolérant ?Psychrophile, psychrotolérant ?

Psychrophile :Psychrophile :- optimum ≤ 15°c- optimum ≤ 15°c- maximum < 20°c- maximum < 20°c- minimum ≤ 0°c- minimum ≤ 0°c→ → ex. : ex. : Bacillus psychrophilusBacillus psychrophilus

Psychrotolérant (Morita 1975) :Psychrotolérant (Morita 1975) :- 20°c < optimum < 40°c- 20°c < optimum < 40°c- minimum ≤ 0°c - minimum ≤ 0°c → → ex. :  ex. :  Listeria monocytogenesListeria monocytogenes

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Le froid : un stress physiologiqueLe froid : un stress physiologique

Formation de cristaux de glace dans le milieu Formation de cristaux de glace dans le milieu intra-cellulaire intra-cellulaire →→ besoin de produire des besoin de produire des « molécules antigel » (ex. : carbohydrates)« molécules antigel » (ex. : carbohydrates)

Stress oxydatif décuplé (l’oxygène se dissout Stress oxydatif décuplé (l’oxygène se dissout mieux)mieux)

Rigidification des membranes lipidiques → Rigidification des membranes lipidiques → diminution de l’activité des protéines associées diminution de l’activité des protéines associées

Diminution de la cinétique enzymatique Diminution de la cinétique enzymatique (conformation différente des protéines)(conformation différente des protéines)

Formation de structures 2D de l’ADNFormation de structures 2D de l’ADN

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Adaptation homéovisqueuse de la Adaptation homéovisqueuse de la membrane (membrane (Sinensky 1974))

Perte de fluidité de la membrane avec le Perte de fluidité de la membrane avec le froid (membranes cireuses & non froid (membranes cireuses & non fonctionnelles)fonctionnelles)

ProportionProportion plus importante d’acides gras à d’acides gras à faible point de fusion :faible point de fusion :- espèce-spécifiques- espèce-spécifiques- contraintes stériques (change l’ordre & réduit le nombre d’interactions dans la membrane)

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Insaturation des chaînes acylInsaturation des chaînes acyl

Altération la plus observéeAltération la plus observéeBactéries (dont un groupe de Bactéries (dont un groupe de

Cyanobactéries) : baisse de la synthèse Cyanobactéries) : baisse de la synthèse des polyinsaturésdes polyinsaturés

Eucaryotes & autres cyanobactéries Eucaryotes & autres cyanobactéries (contiennent des polyinsaturés) : (contiennent des polyinsaturés) : modifications des rapports modifications des rapports saturés/insaturés ou de la proportion de saturés/insaturés ou de la proportion de polyinsaturéspolyinsaturés

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DésaturationDésaturation

en anaérobie : durant la synthèse chez E. coli (Cronan & Rock 1996)

en aérobie : modification des acides gras préexistants chez des bacilli (de Mendoza et al. 1993; Los & Murata 1998)

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La désaturaseLa désaturase

Peut modifier rapidement de grandes Peut modifier rapidement de grandes proportions de la membrane après une chute de proportions de la membrane après une chute de la températurela température

Faible coût énergétiqueFaible coût énergétique Mécanisme presque universel (car substrat = Mécanisme presque universel (car substrat =

chaîne acyl des lipides)chaîne acyl des lipides) Cyanobactérie cryo-sensible Cyanobactérie cryo-sensible Anacystis nidulansAnacystis nidulans

→ → tolérance au froid en augmentant la synthèse tolérance au froid en augmentant la synthèse des acides gras insaturés par introduction du des acides gras insaturés par introduction du gène de la D12 désaturasegène de la D12 désaturase

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Autres modifications des chaînes Autres modifications des chaînes acylacyl

Raccourcissement & branchement de méthyles :

→ synthèse de novo (Suutari & Laakso 1994)

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Branchements anti-iso Les bacilles Gram+ contiennent une forte proportion

d’acides gras branchés iso- & anti-iso :

Précurseurs : valine, leucine & isoleucine résultant en des acides gras à chaînes paires ou impaires isobranchées & à chaînes impaires iso-branchées (Bishop et al. 1967; Kaneda 1991). → couplage étroit du métabolisme des acides aminés & de la biosynthèse des acides gras.

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Branchements anti-isoa-Ca-C15:015:0 prédominant chez une Gram prédominant chez une Gram++ & une & une

GramGram-- de l’Antarctique (Chattopadhyay & de l’Antarctique (Chattopadhyay & Jagannadham 2001)Jagannadham 2001)

a-Ca-C15:015:0 prédominant chez 2 souches de prédominant chez 2 souches de L. L.

monocytogenesmonocytogenes en culture à 5°C en culture à 5°C

→ → synthèse augmentée par glycine synthèse augmentée par glycine betaine (Annous & al. 1997) → rôle betaine (Annous & al. 1997) → rôle cryoprotecteurcryoprotecteur

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B. subtilis

Seule bactérie non photosynthétique avec Des Après un choc froid, synthèse de novo massive

d’acides gras C-15 & C-17 branchés anti-iso saturés pour une adaptation à long terme (Klein et al. 1999)

En l’absence d’isoleucine (précurseur), production d’acides gras insaturés même à 37°c (Weber et al. 2001a) → régulation encore mal comprise

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Pseudoalteromonas haloplanktisPseudoalteromonas haloplanktis

Bactérie de l’AntarctiqueBactérie de l’Antarctique Au lieu de développer des voies métaboliques Au lieu de développer des voies métaboliques

d’élimination des produits toxiques issus de d’élimination des produits toxiques issus de l’oxygène, elle optimise les mécanismes utilisant l’oxygène, elle optimise les mécanismes utilisant directement l’oxygène comme source d’énergiedirectement l’oxygène comme source d’énergie

Pour garder une bonne fluidité de sa membrane, Pour garder une bonne fluidité de sa membrane, elle modifie sa composition lipidique grâce à une elle modifie sa composition lipidique grâce à une enzyme particulière utilisant l’oxygèneenzyme particulière utilisant l’oxygène

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Les cold-shock protéines2 types:• Classe 1 : Niveau faible à température optimale et forte augmentation lors d’un stress au froid• Classe 2 : Protéines présentes à TOptimale et légère augmentation lors d’un choc

CspA, CspB, CspG, CsdA, RbfA, NusA et PNP famille 1 CspA, CspB et CspG sont des chaperonnes CsdA est une protéines associée aux ribosomes RbfA est une protéine qui aide à la formation des ribosomes NusA est une terminase PNP est une ribonucléase

RecA, IF-2, H-NS, GyrA famille 2 RecA est un facteur de recombinaison IF-2 est un facteur de transcription H-NS est une protéine associée à l’ADN GyrA est une sous unité de topoisomérase

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Synthèse de protéines suite à un Synthèse de protéines suite à un choc froidchoc froid

Syn

thè

se d

e p

roté

ine

s

Phase d’acclimatation : Réduction des protéines non adaptées et augmentation des protéines cold-shock

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Les cold-shock protéines : exemple Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez de CspA chez Escherichia coliEscherichia coli

• A température optimale:A température optimale: Niveau constitutif Niveau constitutif Rétrocontrôle négatifRétrocontrôle négatif Dégradation de l’ARNm (1/2 vie de 12 Dégradation de l’ARNm (1/2 vie de 12

secondes)secondes) Rôle de la « cold box »Rôle de la « cold box »

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Les cold-shock protéines : exemple Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez de CspA chez Escherichia coliEscherichia coli

Lors d’un choc froid:Lors d’un choc froid: Transcription de l’ADN mais rétrocontrôle Transcription de l’ADN mais rétrocontrôle

négatifnégatif La production de 5’-UTR augmente la La production de 5’-UTR augmente la

transcription transcription Augmentation de la stabilité de l’ARNm de Augmentation de la stabilité de l’ARNm de

CspA (1/2 vie de 20 minutes)CspA (1/2 vie de 20 minutes)

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Les cold-shock protéines : exemple Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez de CspA chez Escherichia coliEscherichia coli

5’-UTR CspATATATA

A température optimale : répression

A basse température : Synthèse

CspA

Synthèse protéique

Rétrocontrôle négatif a température optimale et positif à basse température

Augmente la synthèse ?

Prom

Ipp

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Les cold-shock protéines : exemple Les cold-shock protéines : exemple chez chez Escherichia coliEscherichia coli

L’ARNm de CspA ne nécessite pas de L’ARNm de CspA ne nécessite pas de ribosomes adaptés au froid pour être traduit ribosomes adaptés au froid pour être traduit (boite DB) (boite DB)

Hausse de la quantité de CspA dans la Hausse de la quantité de CspA dans la bactériebactérie

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Rôle de CspA dans la transcriptionRôle de CspA dans la transcription

Facteur de transcription :Facteur de transcription : CspA reconnaît le promoteur de gène CspA reconnaît le promoteur de gène h-nsh-ns Action sur le gèneAction sur le gène gyrA gyrA

• Protéines chaperonnes : Protéines chaperonnes : Action sur l’ADNAction sur l’ADN

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Rôle de CspA dans la transcriptionRôle de CspA dans la transcriptionModulation

Début du choc : CspA se fixe sur les régions les plus affines de l’ADN Hausse de la transcription Hausse de la quantité de CspA

Fin du choc : Fixation de CspA sur des régions moins affines de l’ADN Inaccessibilité de l’ADN par l’ARN poly Baisse de la transcription

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Rôle de CspA dans la traductionRôle de CspA dans la traduction

Niveau de CspA faible ou moyen :Niveau de CspA faible ou moyen : Hausse de la traduction par fixation sur Hausse de la traduction par fixation sur

l’ARNml’ARNm

• Niveau de CspA fort :Niveau de CspA fort : Baisse de la traduction (trop de CspA sur Baisse de la traduction (trop de CspA sur

l’ARNm)l’ARNm)

Arrêt de la traductionArrêt de la traduction

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BilanBilan

Début du choc :Début du choc : Production de CspAProduction de CspA Hausse de la transcription et de la traductionHausse de la transcription et de la traduction

• Fin du choc :Fin du choc : Trop de CspATrop de CspA Arrêt de la transcription et de la traductionArrêt de la transcription et de la traduction

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ConclusionConclusion

Les changements de lipides de la Les changements de lipides de la membrane permettent de maintenir sa membrane permettent de maintenir sa fluidité & donc sa fonctionnalitéfluidité & donc sa fonctionnalité

Importance des cold-shocksImportance des cold-shocks