Régulation génétique de l’acquisition du fer 1. Régulation par la protéine Fur

Le domaine de dimérisation contient de nombreux acides aminés constituant des ligands potentiels des ions métalliques (Tyr, Asp, Glu, Asn, Arg, Cys, His) (Bagg & Neilands, 1987).

La protéine Fur possède un site structural par monomère pour le zinc, qui est essentiel pour l’activité de la protéine (Jacquamet et al., 1998). Les expériences effectuées in vitro (Adrait et al., 1999) et in vivo indiquent que la forme normalement active de la protéine Fur est une forme oligomère au moins dimérique. La protéine Fur agit comme régulateur transcriptionnel utilisant le Fe²⁺ comme co-répresseur. Chez E. coli, elle contrôle l’expression de plus de 100 gènes : environ 60 d’entre eux codent pour des protéines permettant l’acquisition du fer comme la machinerie de synthèse et de transport des sidérophores, les autres pour des protéines impliquées dans le métabolisme ou encore dans la réponse au stress oxydant.

Lorsque le niveau de Fe²⁺ atteint une certaine concentration (excès de fer) dans le cytoplasme de la bactérie, la protéine Fur s’associe aux ions Fe²⁺ avec une affinité de l’ordre de 10 µM, ce qui induit un changement de conformation de la protéine et sa dimérisation. Le dimère se fixe avec une forte affinité aux promoteurs des gènes qui régulent le statut cellulaire du fer et réprime leur expression. La liaison à l’ADN se fait au niveau d’un motif nucléotidique très conservé appelé boîte Fur (Bagg & Neilands, 1987). La boîte Fur correspond à un motif palindromique de 19 paires de bases conservé chez les différentes espèces ( GATAATGAT(A/T)ATCATTATC chez E. coli) localisé entre les sites - 35 et - 10 des promoteurs des gènes impliqués dans l’acquisition, le stockage et l’utilisation du fer ((Baichoo & Helmann, 2002) (Andrews et al., 2003)). Il a été suggéré que deux dimères de la protéine Fur se lient à la double hélice d’ADN, soit un dimère sur la boîte Fur de chaque hélice (Lavrrar et al., 2002). Dans les conditions de carence en fer, la protéine Fur est sous sa forme monomérique inactive et reste libre dans le cytoplasme, l’opérateur est donc accessible à l’ARN polymérase, ce qui permet la transcription et l’expression des gènes impliqués dans l’acquisition et le stockage du fer (figure 23). De nombreux homologues du gène fur ont été identifiés chez plusieurs bactéries à Gram-positif et à Gram-négatif dont plusieurs pathogènes humains, ces homologues sont capables de complémenter une souche d’E. coli déficiente en protéine Fur. Cela suggère un mécanisme d’action semblable chez différents micro-organismes (Olczak et al., 2005). En plus de la régulation de l’homéostasie du fer, il a été démontré que la protéine Fur régule l’expression des gènes ayant des fonctions cellulaires vitales et aussi variées comme la respiration, la glycolyse, le chimiotactisme, la virulence et la réponse au stress oxydatif. La protéine Fur est ainsi considérée comme un régulateur global qui coordonne différentes réponses dans la cellule (McHugh et al., 2003b).

II.6.2. Régulation par les facteurs ECF

En plus du système général de régulation de l’homéostasie du fer par la protéine Fur, les RTBDs de certaines bactéries possèdent un système d'activation de la synthèse des protéines nécessaires à l’acquisition du fer. Ce système a été décrit en détail pour les transporteurs du dicitrate ferrique (FecA) d'E. coli et de la ferri-pyoverdine (FpvA) de P.

aeruginosa. Ce mécanisme de régulation dit « cascade de signalisation », fait intervenir des facteurs appartenant à la famille des facteurs $ ECF (pour Extra Cytoplasmic Function).

Dans le système FecA, l'opéron fecABCDE qui code pour le système d'internalisation du dicitrate ferrique possède une expression constitutive. En milieu carencé en fer et en présence du dicitrate ferrique, le RTBD FecA interagit dans le périplasme, par son domaine de signalisation, avec la partie C-terminale de la protéine FecR de la membrane interne : un facteur anti-$ qui possède un domaine périplasmique C-terminal, un domaine transmembranaire ancré dans la membrane cytoplasmique et un domaine cytoplasmique N- terminal. Une fois activé, le facteur anti-$ FecR interagit par son domaine cytoplasmique avec la protéine FecI , un facteur $ spécifique, qui va activer l’expression des gènes de l'opéron fecABCDE codant pour des protéines nécessaires à l’acquisition du fer via le RTBD FecA.

Dans le cas de FpvA, la liaison de la ferri-pyoverdine au récepteur génère un signal qui se transmet par le facteur anti-$ FpvR, vers deux facteurs $ cytoplasmiques, FpvI et PvdS. FpvI se lie à l'ARN polymérase pour initier la transcription du gène fpvA. PvdS initie la transcription des gènes intervenant dans la production de la Pvd et de certain facteurs de virulence comme l’exotoxine A et l'endoprotéase PrpL ((Schalk et al., 2004) (Visca et al., 2004)). Cette cascade de signalisation est TonB-dépendante (Shirley & Lamont, 2009), par contre aucune interaction entre la protéine TonB et les autres éléments du système de régulation ne sont pas encore mises en évidence.

Figure 23 : Représentation schématique du mécanisme de régulation de l’expression des gènes impliqués dans l’acquisition du fer par la protéine Fur

Lorsque la bactérie est en présence d’une quantité suffisante de fer, la protéine Fur est active. Elle réprime l’expression des gènes qui codent pour les protéines du système d’acquisition du fer.

À l’inverse, dans les conditions de carence en fer, la protéine Fur est inactive. Les gènes impliqués dans l’acquisition et le stockage du fer sont ainsi transcrits.

C C C H H H A A A P P P I I I T T T R R R E E E I I I I I I I I I

Acquisition de l’hème chez les bactéries à