Une substance nocive et souvent mortelle fabriquée par des bactéries, une toxine bactérienne manipule les fonctions de la cellule hôte et perturbe les processus cellulaires vitaux dans un organisme vivant. Les toxines bactériennes frappent les organismes hôtes là où elles font le plus mal, favorisant les infections et les maladies chez les animaux et les humains. Afin de démêler les détails du mécanisme d’infection des toxines Tc en particulier, des experts en cryo-EM et en protéine-NMR du groupe de Stefan Raunser à l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire (MPI) à Dortmund et du groupe de Hartmut Oschkinat du Leibniz Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie à Berlin ont travaillé côte à côte. Leurs découvertes révèlent non seulement comment la cargaison mortelle de la toxine Tc entraîne l’effondrement du cytosquelette de la cellule, mais fournissent une explication de la grande efficacité de la toxine.
Seul un millième de milligramme de la toxine botulique bactérienne est nécessaire pour tuer un organisme vivant. La toxine déploie son effet létal en empêchant la libération de neurotransmetteurs au point où les cellules nerveuses se fixent aux muscles, les paralysant ainsi. Aussi simple que cela puisse paraître, ce processus est en fait une procédure sophistiquée et en plusieurs étapes. Non moins complexe et en fait très efficace est le processus d’intoxication des complexes de toxines (Tc), facteurs de virulence de nombreuses bactéries, y compris les insectes et les agents pathogènes humains.
Une seringue bactérienne libère une enzyme mortelle
Le mécanisme d’action des toxines Tc n’a été plus largement découvert que récemment par les travaux de l’équipe de Stefan Raunser en biologie structurale au MPI Dortmund.
Démêler la structure des sous-unités de la toxine Tc et leur assemblage par cryo microscopie électronique (cryo-EM) nous a permis de comprendre les étapes clés de l’activation de la toxine et de la pénétration membranaire »,
Stefan Raunser, MPI Dortmund
Les scientifiques ont montré que les sous-unités du complexe de la toxine Tc fonctionnent ensemble comme une seringue (lien vers l’ancien communiqué de presse) : une fois les sous-unités assemblées, des changements structurels dans le complexe déclenchent l’ouverture d’un cocon qui contient une enzyme toxique, qui est puis sécrétée selon un mécanisme d’injection unique via un canal dans la cellule hôte (lien). Là, il déploie son effet mortel en perturbant la régulation du cytosquelette de la cellule, constitué d’un réseau de filaments d’actine polymérisée (F-actine) impliqués dans de nombreux processus cellulaires essentiels.
Mise en place de l’adversaire en réduisant la distance de frappe
« Pendant longtemps, nous avons eu du mal à obtenir une image complète du processus d’intoxication, car nous manquions des données structurelles des enzymes sécrétées, dont l’une est TccC3 », se souvient Raunser. Jusqu’à récemment, on savait seulement que TccC3 transfère un groupe ADP-ribose à l’actine favorisant sa polymérisation aberrante, ce qui conduit à l’agglutination des filaments d’actine. « TccC3 est ce que nous appelons un système « difficile » pour les investigations structurelles en raison de sa taille et de sa grande flexibilité », déclare Hartmut Oschkinat. « Ce n’est qu’en appliquant la solution RMN que nous pourrions surmonter ce défi et visualiser la structure 3D de la protéine pour la première fois ». En fusionnant deux autres instantanés cryo-EM de TccC3 lié à la F-actine et de la F-actine modifiée seule, les scientifiques ont découvert le mécanisme d’action unique de l’enzyme. « TccC3 agit comme un boxeur qui piétine son adversaire pour le rendre vulnérable à l’attaque » explique Stefan Raunser. Dans la première étape, l’enzyme se lie à une région entre deux sous-unités d’actine consécutives de la F-actine. TccC3 ouvre alors une porte, qui amène la molécule NAD+ qui contient le groupe ADP-ribose à une distance frappante d’un site réactif sur l’actine. Une fois que le groupe volumineux ADP-ribose est transféré à la F-actine, il n’est plus accessible pour ses facteurs de dépolymérisation, la F-actine ne pouvant plus être décomposée et donc s’agglutiner.
En plus de cette découverte, les découvertes des scientifiques ont aidé à formuler une explication de l’efficacité étonnamment élevée de l’enzyme. Lorsque l’enzyme se détache de la F-actine, son mécanisme de porte empêche une reconnexion futile à l’actine déjà modifiée en préparation de la prochaine attaque. « Il est étonnant de voir comment tous ces mécanismes ont évolué pour augmenter la puissance des toxines au maximum. Et la nature a fait du bon travail puisque les toxines botuliques, la ricine et d’autres biotoxines sont toujours considérées comme les substances les plus toxiques connues », conclut Raunser.
