Identification et caractérisation fonctionnelle et structurale du système toxine-antitoxine HicA3-HicB3 de Yersinia pestis

Abstract

Toxin-antitoxin systems (TAS) are generally constituted by two small cytoplasmic proteins: a stable toxin and an unstable antitoxin which neutralizes the toxin and represses the expression of the toxin-antitoxin operon. In previous research, our lab found that Yersinia pestis lacking the hicB3 (ypo3369) gene, encoding a putative orphan antitoxin, has a growth defect in vitro and is attenuated for virulence in a murine model of bubonic plague (Pradel et al., 2014). In silico analysis revealed a small gene upstream of hicB3, encoding a putative toxin that we called HicA3. HicA3 overproduction generates bacteriostasis of Escherichia coli and Y. pestis, and the subsequent production of HicB3 restores cell growth. HicA3 and HicB3 thus constitute a functional TAS. However, the lack of the HicA3B3 TAS does not affect Y. pestis virulence in a murine model of bubonic plague. We then purified and characterized the HicA3 and HicB3 proteins. The HicA3 toxin is a monomeric 66-aa ribonuclease with a catalytic histidine residue required for its activity. The HicB3 antitoxin has two functions: it binds and neutralizes HicA3 and it represses the hicA3B3 operon promoter. Gel-shift assays and transcriptional reporter fusion experiments showed that both HicB3 and the HicA3-HicB3 complex bind to two operators overlapping the -10 and -35 boxes of the PhicA3 promoter. We also solved the crystal structures of the HicB3 antitoxin and the HicA3-HicB3 complex. HicB3 is a tetramer with two DNA binding domains of the ribbon-helix-helix type and two toxin neutralization domains.Les systèmes toxine-antitoxine (STA) sont généralement constitués de deux petites protéines cytoplasmiques : une toxine stable et une antitoxine instable capable de neutraliser la toxine et de réprimer l’expression de l’opéron toxine-antitoxine. Une étude menée au laboratoire avait mis en évidence que la perte du gène hicB3 (ypo3369) de Y. pestis, codant une antitoxine solitaire putative, entraine un retard de la croissance bactérienne in vitro et une atténuation de la virulence dans un modèle murin de peste bubonique (Pradel et al., 2014). Par analyse in silico, nous avons détecté, en amont de hicB3, un petit gène non annoté candidat pour coder la toxine HicA3. La surproduction de HicA3 provoque la bactériostase chez Escherichia coli et Y. pestis et la production subséquente de HicB3 restaure la croissance. HicA3 et HicB3 constituent donc un STA fonctionnel. Cependant, la perte du STA HicA3B3 n’affecte pas la virulence de Y. pestis dans un modèle murin de peste bubonique. Nous avons ensuite purifié et caractérisé les protéines HicA3 et HicB3. La toxine HicA3 est une ribonucléase monomérique de 66 aa qui comporte un résidu histidine catalytique essentiel pour son activité. L’antitoxine HicB3 a une double fonction : elle interagit avec HicA3 pour la neutraliser et elle réprime le promoteur de l’opéron hicA3B3. Des expériences de retard sur gel et de fusions transcriptionnelles avec un gène rapporteur ont révélé que l’antitoxine HicB3 et le complexe HicA3-HicB3 se fixent sur deux opérateurs chevauchant les boîtes -10 et -35 du promoteur PhicA3. Nous avons également résolu la structure cristalline de l’antitoxine HicB3 et celle du complexe HicA3-HicB3. HicB3 est un tétramère qui comporte deux domaines de fixation à l’ADN du type ruban-hélice-hélice et deux domaines de neutralisation de la toxine