Rapport d'activité de l'unité Unité des Cyanobactéries pour l'année 2000

Responsable : TANDEAU de MARSAC Nicole (ntmarsac@pasteur.fr)

Les cyanobactéries, comme les plantes, effectuent la photosynthèse en utilisant la lumière et l'eau pour la réduction du gaz carbonique de l'air. Ce processus s'accompagne d'une production d'oxygène. Douées de capacités d'adaptation à des environnements, même extrêmes, les cyanobactéries colonisent la plupart des écosystèmes aquatiques et terrestres. Certaines d'entre elles produisent des hépatotoxines et des neurotoxines mortelles pour l'Homme et les animaux. Les activités de recherches de l'Unité sont centrées sur le développement et la valorisation de la collection de cyanobactéries (PCC), en particulier les souches potentiellement toxiques, et sur l'étude des mécanismes moléculaires de l'adaptation de ces micro-organismes à des changements de paramètres environnementaux.

1. La PCC "Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria", centre de recherche et de documentation sur les cyanobactéries (R. Rippka et M. Herdman)

Notre unité possède la plus grande collection de cyanobactéries pures dans le monde.
Les missions de la PCC sont multiples:

conservation des ressources biologiques (plus de 720 souches pures) ;
activités de conseil et distribution des souches à des laboratoires de recherche et des industriels dans le monde entier, ainsi que pour l'enseignement ; le nombre de souches demandées en l'an 2000 a doublé par rapport aux années antérieures ;
isolement, purification et identification des souches par une approche polyphasique ; au cours de l'année 2000, l'accent a été mis sur les souches planctoniques potentiellement toxiques ;
activités de valorisation par la recherche et la caractérisation de composés bio-actifs dont des toxines ; un programme de recherche transversal (PTR) intitulé "Neurotoxins and related compounds ", coordonné par M. Herdman, est en cours (collaborations avec H-O Nghiem de l'Unité de Neurobiologie moléculaire, B. Baron de l'Unité de l'Expression des gènes eucaryotes et O. Barzu du Laboratoire de Chimie structurale des macromolécules).
développement d'outils moléculaires pour la détection, l'identification et le suivi des cyanobactéries en culture et dans l'environnement ; de nouveaux outils pour l'hybridation in situ et le génotypage des souches potentiellement toxiques sont disponibles.

En collaboration avec J.M. Delattre (Département Eaux et Environnement, IP-Lille), une activité d'expertise a été mise en place pour l'identification et le dosage des hépatotoxines (dans des prélèvements d'eaux de surface.
Plusieurs bases de données sont en évolution constante :

la base de données des propriétés des cyanobactéries de la PCC est accessible sur le Web, via le serveur de l'Institut Pasteur (http://www.pasteur.fr/recherche/banques/PCC/) ;
la base de données des ARNr 16S, représentative de la biodiversité des cyanobactéries, contient plus de 500 séquences alignées, celle des ARN 16S bactériens en comprend 13000 ;
la base de données des ITS contient 30 séquences alignées et 300 entrées concernant leur nombre et leur taille ; le développement de cette base, qui permettra une identification rapide des souches, est un outil essentiel pour le contrôle qualité.

Une seconde édition du Bergey's Manual of Systematic Bacteriology vient de paraître dans lequel la systématique des cyanobactéries est largement basée sur les travaux faits sur les souches de la PCC.

2. Mécanismes moléculaires de l'adaptation des cyanobactéries à l'environnement (N. Tandeau de Marsac)

La lumière et les nutriments interviennent dans de multiples circuits de régulation du métabolisme chez les cyanobactéries et peuvent, chez certaines souches appartenant au genre Calothrix, conduire à la différenciation de cellules spécialisées dans la fixation de l'azote moléculaire (hétérocystes), à celle de minifilaments mobiles (hormogonies), et/ou à un changement de la composition en pigments (adaptation chromatique complémentaire).

Les phytochromes des cyanobactéries, une famille de photorécepteurs ancêtres des phytochromes des plantes

Les deux phytochromes, CphA et CphB, histidines kinases régulées par la lumière, qui interviennent dans une étape précoce de la transmission du signal lumineux rouge clair/rouge sombre par un mécanisme de phosphorylation/déphosphorylation des régulateurs de réponse RcpA et RcpB, ont été caractérisés génétiquement chez Calothrix PCC 7601. L'apoprotéine CphA porte un chromophore lié de manière covalente alors qu'il s'agit d'une liaison non covalente dans le cas de CphB. Aucun "cross talk" n'a été détecté entre CphA-RcpA et CphB-RcpB suggérant que ces couples sont spécifiques. D'après des études faites à l'aide de la technique du double hybride bactérien, la protéine RcpA forme des homodimères. La structure tridimensionnelle a été établie pour RcpB, celle de RcpA est en cours. Les propriétés biochimiques et spectrales de divers mutants sont en cours d'étude pour élucider les relations structure-fonction de ces quatre protéines (collaborations avec W. Gärtner, T.Hübschmann et T. Börner, Allemagne, et avec D. Ladant et G. Karimova, IP).

P_II, un transmetteur de signal qui coordonne les métabolismes de l'azote et du carbone

Bien que la structure primaire de la protéine P_II(GlnB) soit très conservée chez les procaryotes et les plantes, sa fonction diffère selon les organismes étudiés. Afin de mieux comprendre le rôle de cette protéine dans le métabolisme cellulaire, nous l'étudions chez différentes cyanobactéries. Chez les souches Synechococcus PCC7942, photoautotrophe obligatoire et Synechocystis PCC 6803, hétérotrophe facultative, l'entrée des ions nitrate/nitrite est bloquée par P_II sous sa forme non phosphorylée. Cette inhibition est levée lorsque P_II est liée à du 2-oxoglutarate et phosphorylée, i.e. en présence d'une forte concentration en carbone et d'une faible concentration en azote. Chez Synechocystis, cette forme modifiée de P_IIinhibe également le transport à haute affinité pour l'entrée des ions bicarbonate. Le niveau de phosphorylation de P_II chez Synechococcus et Synechocystis dépend également du potentiel redox intracellulaire et donc de l'activité photosynthétique de la cellule (collaboration avec S. Bédu et R. Jeanjean, CNRS, Marseille). Ce système de contrôle permet d'équilibrer les rapports N/C dans la cellule en fonction des changements de lumière et de nutrition azotée et carbonée dans l'environnement.
Dans le cadre d'un programme européen (PROMOLEC "Prochlorococcus molecular ecology", programme MAAST III, 1998-2001), certaines caractéristiques de Prochlorococcus marinus, une cyanobactérie marine atypique très abondante dans les océans oligotrophiques, tropicaux et subtropicaux, ont été étudiées. Parmi les cyanobactéries, cette souche a la plus petite taille (diamètre 0.5-0.6 mm), le plus petit génome (1,67Mb) et le plus faible pourcentage G+C (31 %). Ses antennes photosynthétiques sont constituées de complexes protéiques contenant des divinyl-chlorophylles a et b et elle ne possède pas de phycobiliprotéines. Chez P. marinus, la protéine P_II est de type cyanobactérien. Cependant, elle demeure non modifiée quelles que soient les conditions testées, bien que ses structures primaire et quaternaire soient très conservées (collaborations avec S. Loiseaux-De Goër, CNRS, Roscoff, et A. Blondel, IP). Un système de transport de bicarbonate à haute affinité a été mis en évidence chez cette souche. Le fait que ce transport soit actif même en présence d'une forte concentration en CO₂ et que la souche ne soit pas capable de transporter les ions nitrate coïncident avec la présence d'une protéine P_II constamment non modifié e (collaboration avec S. Bédu, CNRS, Marseille).

3. Génomes cyanobactériens (N. Tandeau de Marsac)

En vue de réaliser la séquence du génome de la souche hépatotoxique Microcystis PCC 7806, 1000 étiquettes génomiques ont été séquencées dans le Laboratoire de F. Kunst et P. Glaser (IP) et analysées en collaboration avec notre Unité. Le génome de cette cyanobactérie semble peu réitéré et diffère de manière importante de celui de la souche non-toxique Synechocystis PCC 6803. Des analyses in silico de la séquence du génome de Synechocystis PCC 6803 ont permis de mettre en évidence des motifs répétés dont la (les) fonction(s) est (sont) à déterminer (collaboration avec M.F. Sagot, IP).

Légende de la photo :
Hybridations in situ (FISH) de cyanobactéries hépatotoxiques du genre Microcystis (en vert) et d'organismes eucaryotes (amibes ; en rouge) à partir d'un prélèvement d'eau. Détection à l'aide de deux fluorochromes différents couplés à la tyramide et observation en microscopie confocale (W. Shönhuber et M. Herdman).

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	Secrétariat	Chercheurs	Stagiaires	Autre personnel
	LEFEBVRE Jacqueline, IP	HERDMAN Michael, CNRS RIPPKA-HERDMAN Rosmarie, IP	ITEMAN Isabelle, Post-doc LALOUI Wassila, Post-doc MARCEL Anne, Stagiaire DESS SCHÖNHUBER Wilhelm, Post-doc WU Tianfu, Post-doc	CASTETS Anne-Marie, CNRS COURSIN Thérèse, IP LAURENT Thierry, IP

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