La résistance au froid chez les microorganismes Biotopes froids majoritaires sur terre : - mers & océans ont une température moyenne de 5°C - ¾ de la planète < 15 °C Limite absolue à la vie : présence d’eau liquide nécessaire

Psychrophile, psychrotolérant ? - optimum ≤ 15°c - maximum < 20°c - minimum ≤ 0°c → ex. : Bacillus psychrophilus Psychrotolérant (Morita 1975) : - 20°c < optimum < 40°c - minimum ≤ 0°c  → ex. :  Listeria monocytogenes

Le froid : un stress physiologique Formation de cristaux de glace dans le milieu intra-cellulaire → besoin de produire des « molécules antigel » (ex. : carbohydrates) Stress oxydatif décuplé (l’oxygène se dissout mieux) Rigidification des membranes lipidiques → diminution de l’activité des protéines associées Diminution de la cinétique enzymatique (conformation différente des protéines) Formation de structures 2D de l’ADN

Adaptation homéovisqueuse de la membrane (Sinensky 1974) Perte de fluidité de la membrane avec le froid (membranes cireuses & non fonctionnelles) Proportion plus importante d’acides gras à faible point de fusion : - espèce-spécifiques - contraintes stériques (change l’ordre & réduit le nombre d’interactions dans la membrane)

Insaturation des chaînes acyl Altération la plus observée Bactéries (dont un groupe de Cyanobactéries) : baisse de la synthèse des polyinsaturés Eucaryotes & autres cyanobactéries (contiennent des polyinsaturés) : modifications des rapports saturés/insaturés ou de la proportion de polyinsaturés

Désaturation 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)

La désaturase Peut modifier rapidement de grandes proportions de la membrane après une chute de la température Faible coût énergétique Mécanisme presque universel (car substrat = chaîne acyl des lipides) Cyanobactérie cryo-sensible Anacystis nidulans → tolérance au froid en augmentant la synthèse des acides gras insaturés par introduction du gène de la D12 désaturase

Autres modifications des chaînes acyl Raccourcissement & branchement de méthyles : → synthèse de novo (Suutari & Laakso 1994)

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.

Branchements anti-iso a-C15:0 prédominant chez une Gram+ & une Gram- de l’Antarctique (Chattopadhyay & Jagannadham 2001) a-C15:0 prédominant chez 2 souches de L. monocytogenes en culture à 5°C → synthèse augmentée par glycine betaine (Annous & al. 1997) → rôle cryoprotecteur

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

Pseudoalteromonas haloplanktis Bactérie de l’Antarctique Au lieu de développer des voies métaboliques d’élimination des produits toxiques issus de l’oxygène, elle optimise les mécanismes utilisant directement l’oxygène comme source d’énergie Pour garder une bonne fluidité de sa membrane, elle modifie sa composition lipidique grâce à une enzyme particulière utilisant l’oxygène

Les cold-shock protéines 2 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

Synthèse de protéines suite à un choc froid Phase d’acclimatation : Réduction des protéines non adaptées et augmentation des protéines cold-shock

Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli A température optimale: Niveau constitutif Rétrocontrôle négatif Dégradation de l’ARNm (1/2 vie de 12 secondes) Rôle de la « cold box »

Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli Lors d’un choc froid: Transcription de l’ADN mais rétrocontrôle négatif La production de 5’-UTR augmente la transcription Augmentation de la stabilité de l’ARNm de CspA (1/2 vie de 20 minutes)

Les cold-shock protéines : exemple de CspA chez Escherichia coli A température optimale : répression Ipp A basse température : Synthèse TATATA Prom 5’-UTR CspA Synthèse protéique Augmente la synthèse ? CspA Rétrocontrôle négatif a température optimale et positif à basse température

Les cold-shock protéines : exemple chez Escherichia coli L’ARNm de CspA ne nécessite pas de ribosomes adaptés au froid pour être traduit (boite DB)  Hausse de la quantité de CspA dans la bactérie

Rôle de CspA dans la transcription Facteur de transcription : CspA reconnaît le promoteur de gène h-ns Action sur le gène gyrA Protéines chaperonnes : Action sur l’ADN

Rôle de CspA dans la transcription Modulation 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

Rôle de CspA dans la traduction Niveau de CspA faible ou moyen : Hausse de la traduction par fixation sur l’ARNm Niveau de CspA fort : Baisse de la traduction (trop de CspA sur l’ARNm)  Arrêt de la traduction

Bilan Début du choc : Fin du choc : Production de CspA Hausse de la transcription et de la traduction Fin du choc : Trop de CspA Arrêt de la transcription et de la traduction

Conclusion Les changements de lipides de la membrane permettent de maintenir sa fluidité & donc sa fonctionnalité Importance des cold-shocks