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Les phytochromes des bactéries photosynthétiques.

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1 Les phytochromes des bactéries photosynthétiques

2 INTRODUCTION Les phytochromes ont été découverts chez les plantes il y a environs 50 ans (S. Hendricks et H. Borthwick). Ils constituent une famille de chromoprotéines qui répondent à la lumière rouge/infrarouge.Ils existent sous deux formes absorbant soit lumière rouge soit la lumière infrarouge. Ces deux formes sont photoconvertibles de manière reversible. Les phytochromes ont un rôle de régulateur. En effet, le changement de forme provoque indirectement lactivation ou la répression de la transcription de gènes cibles. Ils interviennent dans la germination, la floraison, lévitement de lombre, la forme et le nombre de feuilles, la synthèse de chlorophylle… Ce nest quen 1997, que les phytochromes ont été découverts chez les Cyanobactéries (chez Synechocystis sp. PCC 6803 par Lampartner et al.) puis en 1999 chez différentes bactéries (chez les bactéries nonphotosynthetiques Deinococcus radiodurans et Pseudomonas aeruginosa par Davis et al., chez la bactérie pourpre photosynthetique Rhodospirillum centenum par Jiang et al).

3 Cyanobacteria Synechocystis sp. PCC6803 Anabaena sp. PCC7120 Nostoc punctiforme Prochlorococcus sp. MED Proteobacteria Rhodobacter sphaeroides Rhodopseudomonas palustris Bradyrhizobium ORS 278 Agrobacterium tumefaciens Magnetospirillum magnetotacticum Proteobacteria Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas fluorescens Pseudomonas putida KT2440 Pseudomonas syringae 1 2 Deinococcus Deinococcus radiodurans 1

4 Deux formes interconvertibles : Une forme Pr (red) absorbant à 650 nm Une forme Pfr (far red) absorbant à 730 nm Phytochromes = apoprotéine (~ 1100 acides aminés ) + un chromophore (une biline = tetrapyrrole linéaire) responsable de la photoisomérisation. Homodimère de 120kDa. CBD C NH 2 COOH Longueur donde (nm) Absorbance Pr 660 nm Pfr 730 nm Domaine photorécepteurDomaine régulateur

5 Biliverdine (bactéries) Phytochromobiline (plantes) Phycocyanobiline (cyanobactéries) NADPH/O2 Hème oxygénase réductase

6 Site de fixation du chromophore : comparaison de différents phytochromes R. palustris Bradyrhizobium A. tumefaciens Rp.Bph 1537 /732 aa Br.Bph/724aa PAS/S-boxes C C At.BphP/745 aaC CBD Histidine kinase CysB (en N-ter) Histidine kinase C Synechocystis Cph1/748aa CBD A. thaliana phyB /1172 aa Histidine kinase C PAS CysA (centrale)

7 WT H253A PM WT C19S H253A CSHA C19S CSHA C19 GAF PHY CBD PAS Rpa1537 I252H253 Fluorescence du chromophore biliverdine

8 CBD Kinase C Forme Pfr NH 2 COOH Forme Pr Kinase C P P P régulateur NH 2 COOH Lumière rouge lointain Lumière rouge Activation ou répression de la transcription de gènes cibles Lumière rouge Lumière infrarouge O N COOH N N N O PfrPr Lumière rouge COOH N N N N O O La photoisomérisation des phytochromes

9 CBD C Forme Pfr NH 2 COOH Forme Pr C NH 2 COOH Lumière rouge lointain Lumière rouge Activation ou répression de la transcription de gènes cibles Lumière rouge Domaines PAS Interaction protéine- protéine Transduction du signal par interaction protéine-protéine

10 Wagner et al Nature Novembre 2005 vol 438,pp

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13 Photosynthèse CO 2 sels minéraux H2OH2O 1/2 O 2 [CH 2 O] 2 H 2 O + énergie lumineuse2 [H 2 ] + O 2 2 [H 2 ] + CO 2 [CH 2 O] + H 2 O 2 H 2 O + CO 2 O 2 + H 2 O + [CH 2 O] h

14 Van Niel (1931) Végétaux, algues, micro-algues, cyanobactéries 2 H 2 O + CO 2 [CH 2 O] + H 2 O + O 2 lumière Bactéries photosynthétiques 2 H 2 S + CO 2 [CH 2 O] + H 2 O + 2 S 2H 2 + CO 2 [CH 2 O] + H 2 O lumière pour la plupart actives en condition anaérobie

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16 Rhodopseudomonas palustris Bactérie photosynthétique capable de se développer à lobscurité (activité respiratoire) ou à la lumière (activité photosynthétique)

17 LHII LHI cyt c 2 DH Cyt oxydase ATPase - + H+H+ ADP+Pi ATP photosynthèse respiration commun Q Q C.R. cyt bc 1 cyt c 2 Q H+H+ + _ H+H+ QH 2 oxydase Oxydases O 2 + 4e- + 4H + 2H 2 O

18 LHII LHI C.R. cyt bc 1 cyt c P+P+ P+P+ 542 nm c nm fluorescence Qa -

19 Condition anaérobie lumière B LH2 forte I faible I LH1 B800 LH2

20 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, absorbance wavelength (nm) condition aérobie obscurité obs. 8% O 2 LH1 B LH2 obs. 1% O 2

21 ( Larimer et al., Nature Biotech ) rpa0122 rpa1537 rpa3016 rpa3015 rpa1490rpa0990

22 Environnement génomiques des six bactériophytochromes Gènes rpa1537 les polypeptides du centre réactionnel et lantenne LH1 rpa0122une succinate deshydrogénase rpa0990 rpa1490 les polypeptides du B LH2 rpa3015 rpa3016 les polypeptides du B800LH2 proches de gènes codant pour une hydrogénase

23 Rpa3016 Rpa0122 Rpa3015 HND/FG C GAF PHY CBD HK C HND/FG GAF PHY CBD HK H?ND/FG C GAF PHY CBD HK HN?G C GAF PHY CBD HK (KWE) RR CBD Rpa1490 NG ? GAF PHY HK ? ? Rpa0990 C GAF PHY CBD PASPAC Rpa1537

24 pBAD/phyto+HmuO 6968 bp rpaBphy amp r araC hmuO Tag.His Pm.araBAD pUC ori Expression in vivo des holobactériophytochromes not-induced induced

25 Rpa3015Rpa3016Rpa1053Rpa1490Rpa0990 Rpa1537

26 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Absorbance Wavelength (nm) Rpa0990 Pr Pfr

27 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Absorbance Wavelength (nm) Rpa0122 Pfr Pr

28 HmuO PpsR2 cycA bchC bchX bchYbchZ bchG bch2 bchP ppsR1crtKcrtC crtD crtE crtF puf operon BA L M rpa1537 excitation 760 nm Pr

29 Spectre daction de la synthèse de lappareil photosynthétique

30 fusion bchC::lacZ wavelength (nm) activity fusion puf::lacZ fluorescence

31 souche sauvage obs. 660 nm 750 nm rpa nm

32 DNA binding of PpsR on different promotor regions A : control B : + PpsR C : + PpsR bchCXYZ A B C crtIBcrtED

33 Effet de la lumière sur la synthèse de lappareil photosynthétique dark 740 nm bphP WT ppsR cyt c 2 photooxidation (nM)

34 Rpa1537 détecte la présence de lumière, il active la synthèse des CRs et des complexes antennaires en levant la répression exercée par le facteur de transcription PpsR2 en condition semi-aérobie.

35 Pfr PpsR Bchl, puf gènes DNA A lobscurité en présence d O 2 Pr synthèse de lappareil photosynthétique A la lumière PpsR

36 Oxydation du TMPD Transmission lumineuse Fluorescence de la Bchl

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38 Effet de léclairement à 770 nm sous 8% doxygène

39 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Temps (h) Do (660nm) Obscurité Eclairement 770 nm Inhibition de croissance de 30% en moyenne pour les bactéries des cultures éclairées

40 2 Activité photosynthétique

41 Rpa1537 détecte la présence de lumière, il active la synthèse des CRs et des complexes antennaires en levant la répression exercée par le facteur de transcription PpsR2 en condition semi-aérobie. De plus Rpa1537 suprime partiellement lactivation de la synthèse de lappareil respiratoire induite par PpsR2.

42 rpa1490 rpa1491 B LH2 pucA.e pucB.e PpsR RRHTH Rpa1490 ne fixe pas de chromophore Rpa3015Rpa3016Rpa1053Rpa1490Rpa0990 Rpa1537

43 Rpa 1490 MHSGLDNSAELRVSDFDPITLAGGTRTEV-LPGA Rpa 1537 MAGHASGSPAFGTADLSNCEREEIHLAGS Rpa 3015 MTEGSVARQPDLSTCDDEPIHIPGA Rpa 3016 MSSRSDPGQPMASATDPSGRLALDLTECDREPIHIPGA Rpa 0122 MDEADSGGIVTARNVDLSSCDREVQYPEA Rpa 0990 MPRKVDLTSCDREPIHIPGS C

44 Létat doligomérisation de Rpa1490 est redox sensible Rpa1491 Natif +DTT +DTT +Rpa1491 Rpa1490 sautophosphoryle sous sa forme réduite Phosphotransfert vers Rpa1491 Natif +FeCy +DTT +DTT+FeCy Rpa1490

45 WT dark 1% O dark 1% O 2

46 Rpa1490 nest pas un bactériophytochrome mais un senseur d O 2 impliqu é dans la r é gulation de la synth è se des complexes B LH2.

47 pucA.d pucB.d rpa3015rpa3016 rpa3018 rpa3017 rpa3014 REC Rpa3018 HK REC Rpa3017 Rpa3014 HTH REC taux de similarité : 67% Rpa3015 et Rpa3016 B800LH2

48 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0, absorbance wavelength (nm) Rpa3015 Pr Pfr obs. exc. 705 nm

49 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, absorbance wavelength (nm) Rpa3016 Pr Pnr for near red obs. exc. 705 nm exc. 645 nm

50 J J J J J J J J J J J JJJJJJ E E E EE E EE E E E E B B B B B B B B B B B B ,500,511,52 Time (s) A 400 nm Vitesses initiales Pnr Pr Pr Pnr Rpa3016 Rpa3015 Pfr Pr Pr Pfr

51 Rpa3015 et Rpa3016 sautophosphorylent sous leur forme Pr Rpa3015/3016 Rpa3018 Rpa3017 Rpa3014 Phosphotransfert vers 2 réponses régulateurs Rpa3017 ou Rpa3018 Rpa Rpa Rpa Rpa3016Rpa nm obs. obs. 705 nm P32P32 Prot 17% 100% 100% 55%

52 0 0,5 1 1,5 2 2, A805/A860 longueur donde (nm) B absorption longueur donde (nm) 751 nm 712 nm 701 nm 677 nm 637 nm 651 nm A B800LH2 Contrôle des antennes de type B800LH2 par Rpa3015 et Rpa3016

53 Rpa3016 and Rpa3015 détectent le rapport des intensités lumineuses entre 650 et 710 nm. Ils induisent la synthèse des complexes B800LH2 lorsque ce rapport est faible. Ils agissent peut être comme détecteurs de phytoplanctons.

54 Identification dun nouveau bactériophytochrome chez Bradyrhizobium ORS phyB3 hemA phycocyanobiline oxydo reductase Heme oxygenase gvpF gvpN gvpL gvpG gvpA gvpOgvpK

55 B B B B B 0 0,5 1 1, A micro mol photons/m 2 /s

56 B B B B B B B B B B B B B BB B B B B B JJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J H H H HH H H H H H H H H H H H H H H H A wavelength (nm) B 1ms J 8ms H 20ms F 50ms B 100ms J 200ms H 500ms Rpa3015 B B B B B B BBBB A time (ms)

57 B B B B B B B B B B B B B B B B B B J J J J J J J J J J J J J J J J J J H H H H H H H H H H H H H H H H H H F F F F F F F F F F F F F F F F F F B B B B B B B B B B B B B B B B B B J J J J J J J J J J J J J J J J J J H H H H H H H H H H H H H H H H H H A wavelength ( nm) B 1ms J 8ms H 20ms F 50ms B 100ms J 200ms H 500ms B B B B B B BBBB A time (ms) Rpa3016


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