Study of cell wall assembly of Streptococcus pneumoniae by super-resolution microscopy - Groupe Pneumocoque / Pneumococcus Group (IBS-PG)
Thèse Année : 2022

Study of cell wall assembly of Streptococcus pneumoniae by super-resolution microscopy

Etude de l'assemblage de la paroi cellulaire de Streptococcus pneumoniae par microscopie à super-résolution

Jennyfer Trouve
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1424135
  • IdRef : 267504187

Résumé

The bacterial cell wall is a three-dimensional sugar and peptide network that surrounds the cell. It confers a cell shape adapted to the ecological niche of the bacterium, and protects the cell against mechanical stress exerted by the internal turgor pressure. In Gram-positive bacteria, such as the opportunistic human pathogen Streptococcus pneumoniae, the cell wall is composed of peptidoglycan (PG) and teichoic acids (TAs). PG is a common entity among bacteria. It is a mesh-like structure made of glycan chains cross-linked by short peptides. The PG results from the activity of two main protein complexes, named the morphogenetic machineries. The divisome synthesizes the septal PG, forming a cross-wall that will divide the mother cell into two daughter cells, while the elongasome synthesizes the peripheral PG on the outer edge of the septum, resulting in cell elongation. The structure, function, localization, interactions and genetic relationships of the components of each machinery have been extensively studied for decades. Nevertheless, the dynamics and regulation of PG assembly remain poorly understood. TAs, on the other hand, are glycopolymers only found in Gram-positive bacteria. Their structure and composition differ according to the bacterial species. Much less is known about TAs, whose assembly dynamics and coordination with PG synthesis remain to be elucidated.Fluorescence microscopy is a method of choice to investigate cell wall synthesis. However, conventional fluorescence microscopy suffers from a limit of resolution of about 200 nm, which represents a fifth of the pneumococcal cell size. In addition, TA and PG synthesis in ovoid-shaped bacteria like S. pneumoniae (ovococci) occurs within an annular region whose dimensions approximate this resolution limit. To gain access to nanoscale details of cell wall assembly, we developed an approach that couples metabolic labeling, using bioorthogonal chemistry, and high-resolution fluorescence microscopy (dSTORM), which can reach 20 nm of resolution. Observation of PG labeling by dSTORM revealed nanoscopic spatio-temporal features never described so far. Combining these data with in silico simulation led us to propose an updated model of the dynamics of PG synthesis in S. pneumoniae. In our model, the septal PG is synthesized ahead of the peripheral PG, which is inserted into the septal PG after its splitting by septum hydrolases. In order to test our model and investigate the regulation mechanisms of the PG synthesis machineries, we studied the effect of the inactivation of the main septum hydrolase, PcsB, and the two main regulatory proteins, DivIVA and GpsB, which are proposed to promote cell elongation and division, respectively. In addition, preliminary dSTORM data of TA labeling shows that the TA synthesis differs in time and space from the PG synthesis region. To test this idea, a protocol for two-color dSTORM imaging is under optimization.
La paroi bactérienne est un réseau tridimensionnel de sucres et de peptides qui entoure la cellule. Elle confère à la cellule une forme adaptée sa niche écologique, et la protège contre les contraintes mécaniques exercées par la pression de turgescence interne. Chez les bactéries à Gram positif tel que le pathogène humain opportuniste Streptococcus pneumoniae, la paroi cellulaire est composée de peptidoglycane (PG) et d'acides teichoïques (ATs). Le PG est une entité commune aux bactéries. Il s'agit d'une structure en forme de maille constituée de chaînes de glycanes réticulées par de courts peptides. Le PG résulte de l'activité de deux complexes protéiques principaux, appelées les machineries morphogénétiques. Le divisome synthétise le PG septal, qui forme une paroi transversale divisant la cellule mère en deux cellules filles, tandis que l'élongasome synthétise le PG périphérique sur le bord externe du septum, entraînant l'allongement de la cellule. La structure, la fonction, la localisation, les interactions et les relations génétiques des composants de chacune des machineries ont été largement étudiées depuis des décennies. Néanmoins, la dynamique et la régulation de l'assemblage du PG sont encore peu comprises. Les ATs, quant à eux, sont des glycopolymères que l'on trouve uniquement chez les bactéries à Gram positif. Leur structure et leur composition diffèrent selon l'espèce bactérienne. Les connaissances sont beaucoup plus limitées pour les ATs, dont la dynamique d'assemblage et la coordination avec la synthèse du PG restent à élucider.La microscopie de fluorescence est une méthode de choix pour étudier la synthèse de la paroi cellulaire. Cependant, la microscopie à fluorescence conventionnelle souffre d'une limite de résolution d’environ 200 nm, ce qui représente un cinquième de la taille des cellules de pneumocoque. De plus, la synthèse des ATs et du PG chez les bactéries de forme ovoïde telle que S. pneumoniae (ovocoques), se produit dans une région annulaire dont les dimensions sont proches de cette limite de résolution. Afin d’étudier l'assemblage de la paroi cellulaire à l’échelle du nanomètre, nous avons développé une approche qui couple un marquage métabolique, utilisant la chimie bioorthogonale, et la microscopie de fluorescence à haute résolution (dSTORM), qui peut atteindre 20 nm de résolution. L'observation en dSTORM de PG marqué a révélé des caractéristiques spatio-temporelles jamais décrites jusqu'à présent. La combinaison de ces données avec une simulation in silico nous a conduit à proposer un modèle actualisé de la dynamique de synthèse du PG chez le pneumocoque. Dans notre modèle, le PG septal est synthétisé en amont du PG périphérique, qui est inséré dans le PG septal après clivage par les hydrolases du septum. Afin de tester notre modèle et d'étudier le mécanisme de régulation de la synthèse du PG, nous avons étudié l'effet de l'inactivation de l’hydrolase principale du septum, PcsB, et de deux principales protéines régulatrices, DivIVA et GpsB, qui promeuvent respectivement l'élongation et la septation de la cellule. De plus, des données préliminaires du marquage des ATs imagé en dSTORM montrent que la synthèse des ATs diffère dans le temps et dans l’espace de celle du PG. Pour tester cette idée, un protocole d'imagerie dSTORM en deux-couleur est en cours d'optimisation.
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  • HAL Id : tel-04727989 , version 1

Citer

Jennyfer Trouve. Study of cell wall assembly of Streptococcus pneumoniae by super-resolution microscopy. Virology. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALV066⟩. ⟨tel-04727989⟩
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