Une enzyme de modification de l'ARN détecte directement les espèces réactives de l'oxygène pour la régulation translationnelle chez Enterococcus faecalis

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4093 (2023) Citer cet article

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Les bactéries possèdent des systèmes élaborés pour gérer les espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (ROS) résultant de l'exposition au système immunitaire des mammifères et des stress environnementaux. Nous rapportons ici la découverte d'une enzyme modificatrice d'ARN détectant les ROS qui régule la traduction des protéines de réponse au stress dans l'agent pathogène commensal et opportuniste intestinal Enterococcus faecalis. Nous analysons l'épitranscriptome d'ARNt d'E. faecalis en réponse à des espèces réactives de l'oxygène (ROS) ou à des doses sublétales d'antibiotiques induisant des ROS et identifions d'importantes diminutions de la N2-méthyladénosine (m2A) dans l'ARN ribosomal 23 S et l'ARN de transfert. Nous déterminons que cela est dû à l'inactivation médiée par les ROS de la méthyltransférase contenant le cluster Fe-S, RlmN. L'inactivation génétique de RlmN donne naissance à un protéome qui imite la réponse au stress oxydatif, avec une augmentation des niveaux de superoxyde dismutase et une diminution des protéines de virulence. Alors que les modifications de l'ARNt ont été établies comme étant dynamiques pour un réglage fin de la traduction, nous rapportons ici la découverte d'une modification de l'ARNr régulée dynamiquement et sensible à l'environnement. Ces études conduisent à un modèle dans lequel RlmN sert de commutateur moléculaire sensible au rédox, relayant directement le stress oxydatif pour moduler la traduction via l'épitranscriptome de l'ARNr et de l'ARNt, ajoutant ainsi un paradigme différent dans lequel les modifications de l'ARN peuvent réguler directement le protéome.

Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) telles que le superoxyde (O2−) et le peroxyde d'hydrogène (H2O2) jouent un rôle fondamental dans l'évolution bactérienne1. Les bactéries sont exposées aux ROS à partir de diverses sources, de manière endogène en tant que sous-produits de la respiration aérobie et de manière exogène à partir de produits naturels à activité redox et des explosions respiratoires/oxydatives des cellules immunitaires activées des mammifères2. S'ils ne sont pas neutralisés, les ROS endommagent les composants cellulaires essentiels, notamment l'ADN, les lipides, les glucides et les protéines1. Les bactéries ont ainsi développé des systèmes de défense ROS tels que les superoxydes dismutases (SOD), les catalases, le glutathion, les systèmes thiorédoxines, les peroxydases et les nitrates/nitrites réductases3. Ces défenses sont souvent régulées transcriptionnellement par des facteurs de transcription détectant les ROS tels que OxyR, PerR, OhrR et SoxR4,5,6.

Des preuves récentes mettent en évidence des mécanismes de régulation translationnelle des systèmes de réponse au stress bactérien. Par exemple, la réponse au stress hypoxique chez les mycobactéries implique la reprogrammation de dizaines de ribonucléosides modifiés sur les ARNt - l'épitranscriptome de l'ARNt - pour provoquer la traduction sélective des ARNm biaisés par les codons à partir des gènes de réponse à l'hypoxie, notamment le facteur de transcription DosR et son régulon7. Les modifications sur d’autres formes d’ARN participent également à divers processus cellulaires en modifiant la stabilité, la structure, la localisation et les interactions protéine-ARN de l’ARN8.

Nous rapportons ici la découverte d'une enzyme modificatrice d'ARN détectant les ROS qui régule la traduction des protéines de réponse au stress dans l'agent pathogène commensal et opportuniste intestinal Enterococcus faecalis. Après exposition au générateur de superoxyde, à la ménadione ou à des doses sublétales d'érythromycine et de chloramphénicol induisant des ROS, l'analyse de 24 ribonucléosides modifiés de l'épitranscriptome a révélé d'importantes diminutions de la N2-méthyladénosine (m2A) dans l'ARN ribosomal 23 S et l'ARN de transfert, probablement causées par Inactivation médiée par les ROS de la méthyltransférase contenant le cluster Fe-S, RlmN. La perte de RlmN a modifié l'expression des protéines d'une manière qui imitait l'exposition à la ménadione, comme une augmentation de la superoxyde dismutase et une diminution des protéines de virulence. Ces études suggèrent que RlmN agit comme un commutateur moléculaire sensible au rédox qui relie l'exposition aux ROS induite par l'environnement et les antibiotiques à la dynamique de l'épitranscriptome dans l'ARN ribosomique et de transfert pour effectuer la traduction des protéines de réponse au stress.

Si la régulation transcriptionnelle en réponse au stress est bien établie chez les bactéries, la régulation translationnelle est moins bien comprise. Notre démonstration de la reprogrammation de l'épitranscriptome induite par l'hypoxie et de la traduction biaisée par les codons chez les mycobactéries nous a amenés à émettre l'hypothèse qu'un mécanisme similaire pourrait être vrai pour la réponse d'Enterococcus faecalis au stress de l'exposition aux antibiotiques. Ici, nous avons quantifié 24 modifications de l'ARNr et de l'ARNt dans deux souches d'E. faecalis : OG1RF, une souche dérivée de l'isolat oral commensal humain OG19, et V58310, un isolat clinique multirésistant aux médicaments. V583 possède une méthyltransférase de résistance à l'érythromycine (ErmB) qui méthyle la position N6 de l'adénosine (m6A, m6,6A) dans l'ARNr 23 S en position 2058 (numérotation d'Escherichia coli)11 et empêche la liaison des macrolides (par exemple, l'érythromycine), des lincosamides, et la streptogramine B (MLS)11, mais ne confère qu'une résistance partielle à l'érythromycine12. OG1RF est dépourvu d'ErmB et est donc environ 100 fois plus sensible à l'érythromycine que le V583.