L’enveloppe cellulaire est un composant essentiel des bactéries. Elle est fondamentale pour le maintien de la forme cellulaire, la résistance aux conditions difficiles, voire extrêmes, et la détection des signaux environnementaux. Porteuse de nombreux systèmes de défense et d’attaque, l’enveloppe participe aussi à la pathogénicité bactérienne.

Il existe deux profils majoritaires d’enveloppes bactériennes [ 1 ]. Chez les bactéries à Gram négatif comme Escherichia coli, l’enveloppe est composée d’une membrane plasmique, d’une mince couche de peptidoglycane (PG) contenue dans l’espace périplasmique et d’une membrane externe. Chez les bactéries à Gram positif comme Bacillus subtilis , l’enveloppe est composée d’une membrane plasmique et d’une couche épaisse de PG, qui est alors le constituant majeur de la paroi ( Figure 1A ).

Figure 1. La biosynthèse du peptidoglycane chez Bacillus subtilis. (A) La formation du PG débute dans le cytoplasme avec la synthèse des précurseurs. L’UDP-GlcNac [hexagone bleu] et l’UDP-MurNac [hexagone jaune] sont les deux principaux précurseurs. La GlmR interagit d’abord avec la GlmS [flèche discontinue] et stimule la synthèse de l’UDP-GlcNac. Ensuite, l’UDP-MurNAc est lié à une chaîne peptidique après plusieurs réactions au cours desquelles différentes enzymes interviennent. La synthèse se poursuit au niveau de la membrane plasmique avec la formation du lipide I par fusion du phospho-MurNAc-pentapeptide avec l’undécaprényl phosphate lié à la membrane. La fusion de l’UDP-GlcNAc au lipide I forme le lipide II. Ce dernier est ensuite transloqué par une flippase du côté extérieur de la membrane. Il est pris en charge par les penicilin-binding proteins (PBP), qui permettent son insertion dans le PG mature ainsi que le clivage de l’undécaprényl phosphate qui est ensuite recyclé. Chaque ovale blanc représente une enzyme impliquée dans une étape de la biosynthèse. Certains antibiotiques comme les β-lactamines inhibent l’action des PBP, ce qui bloque l’incorporation du lipide II au peptidoglycane préexistant. La bacitracine, quant à elle, bloque la translocation des précurseurs en empêchant leur fixation à l’undécaprényl phosphate (figure réalisée avec Biorender). (B) Images de microscopie à contraste de phase de bactéries B. subtilis sauvages (WT, à gauche) ou dépourvues du gène glmR (Δ glmR, à droite), cultivées en présence de gluconate [ 4 ].

Figure 1. La biosynthèse du peptidoglycane chez Bacillus subtilis. (A) La formation du PG débute dans le cytoplasme avec la synthèse des précurseurs. L’UDP-GlcNac [hexagone bleu] et l’UDP-MurNac [hexagone jaune] sont les deux principaux précurseurs. La GlmR interagit d’abord avec la GlmS [flèche discontinue] et stimule la synthèse de l’UDP-GlcNac. Ensuite, l’UDP-MurNAc est lié à une chaîne peptidique après plusieurs réactions au cours desquelles différentes enzymes interviennent. La synthèse se poursuit au niveau de la membrane plasmique avec la formation du lipide I par fusion du phospho-MurNAc-pentapeptide avec l’undécaprényl phosphate lié à la membrane. La fusion de l’UDP-GlcNAc au lipide I forme le lipide II. Ce dernier est ensuite transloqué par une flippase du côté extérieur de la membrane. Il est pris en charge par les penicilin-binding proteins (PBP), qui permettent son insertion dans le PG mature ainsi que le clivage de l’undécaprényl phosphate qui est ensuite recyclé. Chaque ovale blanc représente une enzyme impliquée dans une étape de la biosynthèse. Certains antibiotiques comme les β-lactamines inhibent l’action des PBP, ce qui bloque l’incorporation du lipide II au peptidoglycane préexistant. La bacitracine, quant à elle, bloque la translocation des précurseurs en empêchant leur fixation à l’undécaprényl phosphate (figure réalisée avec Biorender). (B) Images de microscopie à contraste de phase de bactéries B. subtilis sauvages (WT, à gauche) ou dépourvues du gène glmR (Δ glmR, à droite), cultivées en présence de gluconate [ 4 ].

Permettant de maintenir l’intégrité cellulaire en formant une réelle barrière protectrice, le PG est un polymère glyco-peptidique qui forme un réseau tridimensionnel au sein de l’enveloppe. En effet, ce dernier est composé d’un enchevêtrement de chaînes glycanes complexes reliées par des ponts peptidiques. De nombreuses étapes sont nécessaires pour obtenir la structure finale du peptidoglycane à partir de précurseurs cytoplasmiques tels que l’uridine diphosphate N-acétylglucosamibe (UDP-GlcNAc) et l’acide uridine-diphosphate-N-acétylmuramique (UDP-MurNac), des nucléotides couplés à des oses. Ces précurseurs sont exportés à l’extérieur de la membrane pour être assemblés par les « penicillin-binding proteins » (PBP) et reliés entre eux par des ponts peptidiques. Les PBP sont donc des enzymes essentielles assurant le maillage du PG. Elles sont majoritairement ciblées par des antibiotiques tels que la pénicilline qui appartient à la famille des bêta-lactamines. Puisqu’il est conservé chez la majorité des bactéries [ 2 ], le PG est une bonne cible thérapeutique pour le développement de nouvelles molécules antibiotiques à large spectre.

Étant une structure complexe, la paroi implique une synthèse faisant intervenir plusieurs précurseurs et nécessite un apport conséquent en énergie. Au cours de cette synthèse, des intermédiaires moléculaires qui proviennent du métabolisme du carbone, comme l’UDP-GlcNac et l’UDP-MurNac, sont utilisés pour la synthèse de composants lipidiques précurseurs du PG, après leur fixation sur l’undécaprényl diphosphate, donnant successivement les lipides I et II ( Figure 1A ). Ainsi, les mécanismes de synthèse et de dégradation du PG doivent être finement régulés pendant le cycle cellulaire bactérien en fonction de la biodisponibilité en carbone et sont donc étroitement liés au métabolisme central. L’analyse des mécanismes permettant la synchronisation de la synthèse du PG au métabolisme cellulaire global est donc cruciale pour une meilleure compréhension de la formation de cette structure essentielle des bactéries. Récemment, la protéine GlmR (glucosamine-6-phosphate regulator) a été identifiée comme une protéine clé modulant la synthèse du PG en fonction de la nature des substrats carbonés présents dans le milieu [ 3 ]. La GlmR est particulièrement étudiée chez Bacillus subtilis , une bactérie ubiquitaire aérobie stricte en forme de bacille. Cette bactérie est non pathogène, facile à cultiver et à manipuler, ce qui en fait un modèle de choix pour l’étude des bactéries à Gram positif [ 3 ]. La GlmR est également présente chez de nombreuses autres bactéries, notamment les bactéries pathogènes Listeria monocytogenes et Staphylococcus aureus . Récemment, le rôle de la GlmR a été élucidé et un modèle de son mode d’action a été proposé [ 4 ].

Les bactéries hétérotrophes peuvent utiliser des sources de carbone variées. Chez B. subtilis , la protéine Crh (pour catabolite repression HPr ) est importante pour l’adaptation aux différentes sources de carbone. Elle participe à l’assimilation et au transport des sucres et son activité est stimulée en présence de ces derniers. Le rôle des autres gènes (dont glmR ) de l’opéron contenant crh a été étudié pour déterminer leur impact éventuel dans l’adaptation aux changements métaboliques. L’utilisation d’approches génétiques, en étudiant une souche dépourvue du gène glmR (ΔglmR ) , a permis de montrer que le gène glmR est essentiel à la croissance de B. subtilis en présence de sources de carbone non glucidiques, qui sont des intermédiaires du cycle de Krebs ou de la voie métabolique des pentoses phosphates [ 5 ].

Le rôle de la GlmR dans le maintien de la morphologie cellulaire a également été mis en évidence chez B. subtilis . En effet, une souche Δ glmR, cultivée en présence de sources de carbone non glucidiques, présente des morphologies aberrantes de type « bulles » ou filaments observables par microscopie optique et conduisant à terme à une lyse cellulaire ( Figure 1B ). Ces formes particulières sont la conséquence d’un défaut de formation du septum au cours de la division cellulaire ou d’un défaut du maintien de l’équilibre entre la synthèse et la dégradation de la paroi cellulaire. Dans ces bactéries mutées, l’apparition spontanée de clones révertants qui ne présentent plus de défaut de morphogenèse lors de croissance sur des substrats non glucidiques est fréquente. Ces clones possèdent des mutations dites suppressives, qui restaurent le phénotype sauvage, et dont la caractérisation permet de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à l’adaptation des bactéries à leur milieu. L’analyse des mutants suppresseurs dans la souche ΔglmR a mis en évidence des mutations principalement localisées dans des gènes impliqués dans le métabolisme du carbone comme la glycolyse. Cette voie libère de l’énergie en utilisant des sources de carbone glucidiques (comme le glucose et le fructose). Cependant, il a été montré que chez B. subtilis , la GlmR est essentielle à la croissance en présence de substrats non glucidiques. Ce résultat peut s’expliquer par le fait que la néoglucogenèse et la glycolyse partagent les mêmes enzymes. La néoglucogenèse étant une voie métabolique qui génère du glucose à partir de substrats non glucidiques [ 5 ], il est possible de conclure que la GlmR joue un rôle dans la néoglucogenèse.

Une analyse bio-informatique de la séquence protéique de la GlmR a permis de prédire un motif de liaison aux dinucléotides [ 6 ]. Afin de valider ces données bio-informatiques et d’identifier les interactions de la GlmR avec des substrats potentiels, une technique de biochimie qui permet de déterminer des interactions protéines-protéines et protéines-ligands (autres que des protéines) a été réalisée. Toutefois, cette dernière n’a révélé aucune interaction entre la GlmR et les dinucléotides analysés, invalidant la prédiction bio-informatique. En revanche, ces études ont permis de mettre en évidence l’interaction de la GlmR avec des ligands dont la structure se rapprochent des dinucléotides, les sucres UDP (UDP-Glc et UDP-GlcNAc) [ 7 ]. La capacité de la GlmR à interagir avec l’UDP-GlcNAc, ainsi que l’observation que le mutant Δ glmR présente une sensibilité accrue à la bacitracine, un antibiotique qui inhibe la synthèse du PG, suggèrent que la GlmR joue un rôle important dans la synthèse du PG [ 8 ].

Il a été observé que certaines des mutations suppressives retrouvées chez le mutant Δ glmR avaient pour conséquence la surproduction de la protéine GlmS [ 8 ]. La GlmS est une enzyme nécessaire à la synthèse d’UDP-GlcNAc, qui participe à la biosynthèse du PG ( Figure 1A ). L’interaction entre GlmR et GlmS de B. subtilis a été observée lorsque ces deux protéines ont été co-produites chez E. coli [ 8 ], puis confirmée in vitro [ 4 ]. Remarquablement, il a été montré qu’en interagissant avec la GlmS, la GlmR en stimule l’activité et que cette stimulation est inhibée lorsque la concentration d’UDP-GlcNAc est élevée [ 4 ].

La concentration cellulaire de la GlmS étant finement régulée, les auteurs ont étudié la possible interaction entre la GlmR et des facteurs connus pour réguler la GlmS. Parmi ces candidats, les études se sont portées sur la protéine YvcJ dont l’orthologue chez E. coli régule l’activité de la GlmS. L’interaction entre YvcJ et GlmR a été montrée in vitro par plusieurs approches. Un modèle fonctionnel expliquant la relation tripartite entre les trois facteurs, GlmR, GlmS et YvcJ a été proposé ( Figure 2 ). (1) En présence d’une source de glucose, la concentration d’UDP-GlcNAc n’est pas limitante. Ce dernier en se fixant à YvcJ et GlmR permet la formation d’un complexe composé de ces deux protéines, l’activité de la GlmS n’est alors pas stimulée. (2) En présence d’une source de carbone non glucidique, la concentration d’UDP-GlcNAc diminue, ce qui entraine la libération de la GlmR qui peut alors interagir avec la GlmS, stimuler son activité et induire la production d’UDP-GlcNAc. Ainsi, via son interaction avec la GlmS, la GlmR permet d’adapter la synthèse d’UDP-GlcNAc, donc du PG, à la nature de la source de carbone disponible.

Figure 2. Représentation de la régulation de la GlmS par la GlmR en fonction de la source de carbone. Lors de la croissance de B. subtilis sur un milieu contenant des intermédiaires de la glycolyse comme le glucose, la concentration de fructose-6-phosphate (F6P) n’est pas limitante et la GlmS transforme le F6P en glucosamine-6-phosphate. La concentration intracellulaire d’UDP-GlcNAc est alors forte, et celui-ci interagit avec la GlmR et YvcJ permettant l’interaction entre ces deux protéines et empêchant ainsi la GlmR de stimuler l’activité de la GlmS (A) . En revanche, en présence d’intermédiaires du cycle de Krebs ou de la voie des pentoses phosphates, la quantité de F6P produite par la néoglucogenèse est faible. L’interaction entre YvcJ et la GlmR n’est pas possible car le niveau intracellulaire en UDP-GlcNAc est faible. La GlmT interagit alors avec la GlmS induisant la transformation du F6P et la synthèse de l’UDP-GlcNAc (B) .

Figure 2. Représentation de la régulation de la GlmS par la GlmR en fonction de la source de carbone. Lors de la croissance de B. subtilis sur un milieu contenant des intermédiaires de la glycolyse comme le glucose, la concentration de fructose-6-phosphate (F6P) n’est pas limitante et la GlmS transforme le F6P en glucosamine-6-phosphate. La concentration intracellulaire d’UDP-GlcNAc est alors forte, et celui-ci interagit avec la GlmR et YvcJ permettant l’interaction entre ces deux protéines et empêchant ainsi la GlmR de stimuler l’activité de la GlmS (A) . En revanche, en présence d’intermédiaires du cycle de Krebs ou de la voie des pentoses phosphates, la quantité de F6P produite par la néoglucogenèse est faible. L’interaction entre YvcJ et la GlmR n’est pas possible car le niveau intracellulaire en UDP-GlcNAc est faible. La GlmT interagit alors avec la GlmS induisant la transformation du F6P et la synthèse de l’UDP-GlcNAc (B) .

Depuis sa découverte en 2005, l’étude approfondie de la GlmR a permis de mettre en évidence son rôle fondamental dans la régulation de la biosynthèse du peptidoglycane de B. subtilis en fonction de la nature des sources de carbone et donc du métabolisme mis en jeu. Ces données ont ainsi montré que la synthèse de la paroi cellulaire et la morphogenèse bactérienne sont strictement coordonnées au métabolisme central.

Les homologues de la GlmR sont très répandus chez les bactéries pathogènes telles que M. tuberculosis, S. aureus et L. monocytogenes . L’absence de la GlmR chez M. tuberculosis provoque une diminution de la virulence, une modification de la paroi bactérienne et une sensibilité exacerbée pour les β-lactames [ 6 ]. Chez le pathogène opportuniste S. aureus, la GlmR est strictement essentielle à la croissance et la survie de ce pathogène dans son hôte [ 10 ]. Toutes ces observations suggèrent que cette protéine pourrait constituer une cible de choix pour le développement de nouveaux antibiotiques.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.