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     Cyanobactéries - CNRS URA 2172


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


  resume

 

A l'origine de l'apparition de l'oxygène sur notre planète il y a plus de 3 milliards d'années, les cyanobactéries, par leur activité photosynthétique, participent encore de nos jours au maintien de l'équilibre des proportions entre le CO2 et l'oxygène dans l'atmosphère. Adaptées à des environnements même extrêmes, elles colonisent la plupart des écosystèmes aquatiques et terrestres. Nombre d'entre elles forment des efflorescences responsables de nuisances dans l'environnement et synthétisent des métabolites secondaires (hépatotoxines et neurotoxines) toxiques pour l'Homme et l'animal. L'objectif de nos travaux de recherche est de développer, par une approche pluridisciplinaire, notre connaissance de la biodiversité, de la physiologie et du génome des cyanobactéries, afin d'élucider leurs modes d'adaptation à l'environnement et les bases de leur toxicité, et d'exploiter leurs potentialités biotechnologiques.



  rapport

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1. La PCC ou "Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria" (R. Rippka, I. Iteman, M. Welker, M. Herdman, K. Comte, A. Trottet, S. Cadel, T. Coursin, T. Laurent)

La PCC est internationalement reconnue tant pour la qualité (cultures pures) que pour la diversité des propriétés morphologiques et physiologiques de ses souches.

Les missions de la PCC comprennent à la fois des activités de service et de recherche :

- Préservation et accroissement des ressources biologiques (750 souches représentant 57 genres), avec identification des souches par une approche polyphasique ; 475 souches sont disponibles sur catalogue (http://www.pasteur.fr/recherche/banques/PCC/) ; trois souches de Nostoc ellipsosporum, susceptibles de synthétiser une protéine antivirale, la cyanoviridine-N, et une souche de Calothrix ont été purifiées et introduites dans la collection PCC. Dans le cadre du projet européen COBRA "The Conservation of a vital european scientific and biotechnological resource: microalgae and cyanobacteria" (http://www.cobra.ac.uk/introduction/html/about_COBRA.cfm), des méthodes de cryopréservation sont actuellement testées. L'utilisation d'amorces basées sur les séquences répétées de type HIP1 pour un génotypage rapide des souches provenant de différentes collections a été validée.

- Distribution et vente de souches (environ 200 en 2003) à des laboratoires de recherche et des industriels dans le monde entier, ainsi que pour l'enseignement en France, associée à une importante activité de conseil.

- Création d'outils moléculaires pour l'identification des cyanobactéries en culture ainsi que pour leurs détection et suivi dans l'environnement. Une technique d'hybridation ADN/ADN en microplaques plus simple et plus rapide que la méthode traditionnelle en phase liquide a été mise au point. Les espèces du genre Trichodesmium sont des cyanobactéries marines diazotrophes non-hétérocystées qui jouent un rôle important dans les cycles biogéochimiques dans l'Océan Pacifique sud-ouest. La morphologie des trichomes provenant de trois régions de la Nouvelle-Calédonie (Nouméa, Bourail et Thio) a été analysée par microscopie optique, ce qui a permis de mettre en évidence deux espèces de Trichodesmium, T. erythraeum et T. thiebautii, ainsi que deux espèces du genre Katagnymene, K. spiralis et K. pelagica. Plusieurs outils de génotypage applicables à des échantillons naturels ont été utilisés afin de confirmer l'identification par microscopie et d'apprécier la diversité génétique de ces cyanobactéries marines (Coll. R. Leborgne, IRD, Nouméa, Nouvelle-Calédonie).

- Valorisation par la recherche et la caractérisation de composés bioactifs d'intérêt pharmaceutique. En collaboration avec V. Bultel (Muséum National d'Histoire Naturelle, Paris), une molécule cytotoxique, le cylindrocyclophane, a été caractérisée à partir de la souche PCC 7417. Dans le cadre du projet européen PEPCY " Toxic and Bioactive Peptides in Cyanobacteria "  (http://www.umweltbundesamt.de/pepcy/), deux nouveaux groupes de gènes codant des polykétide synthases ont été caractérisés chez Microcystis PCC 7806. Des analyses sont en cours, afin de corréler la présence de ces gènes et de leurs produits dans d'autres souches planctoniques de la PCC.

Plusieurs bases de données sont maintenues dans l'Unité :

- "CYANOBANK" (Windows 98, Microsoft Access) : propriétés des souches de la PCC ; "ITS size database" : nombre et taille des amplicons des ITS (300 entrées) ; "Photographic database" : 610 entrées ; "Storage database" : inventaire des souches conservées dans l'azote liquide ; les trois derniers modules interagissent avec CYANOBANK.

- Bases de données indépendantes de CYANOBANK : "ITS sequence database" avec 296 séquences d'ITS de cyanobactéries alignées ; "Cyanobacterial 16S rRNA sequence database", maintenue sous le logiciel ARB avec plus de 900 séquences alignées ; "Bacterial 16S rRNA sequence database", qui permet de choisir des amorces oligonucléotidiques ou des sondes et comprend plus de 13000 séquences ; bases de données (sous GelCompare) des profils RFLP des ITS et des profils obtenus par amplification avec des amorces basées sur les séquences HIP1.

Dans l'optique d'une intégration de la PCC dans le Centre de Ressources Biologiques de l'Institut Pasteur, la mise en place du contrôle qualité est en cours avec transfert progressif des données concernant les souches de la PCC dans le logiciel ARPAS.

Une activité d'expertise est en place pour l'identification des cyanobactéries et le dosage des hépatotoxines dans les eaux de surface (Coll. J.M. Delattre, Institut Pasteur de Lille). En 2003, cinquante-cinq expertises ont été faites pour des DDASS de diverses régions de France.

2. Mécanismes moléculaires de l'adaptation des cyanobactéries à l'environnement (N. Tandeau de Marsac, A. Mlouka, K. Comte, A.M. Castets)

La lumière et les nutriments interviennent dans de nombreux circuits de régulation du métabolisme chez les cyanobactéries et jouent un rôle essentiel dans la formation des efflorescences chez les espèces planctoniques.

PII, une protéine-clé pour la coordination entre le métabolisme du carbone et de l'azote chez les cyanobacteries

La protéine PII (GlnB) est un transmetteur de signal ubiquiste que l'on rencontre aussi bien chez les eubactéries et les archaebactéries que chez les algues et les plantes. Les structures tridimensionnelles des PII de Synechocystis PCC 6803 et de Synechococcus PCC 7942 ont été déterminées par cristallographie aux rayons X. Bien que les protéines PII des cyanobactéries et celle d'E. coli réagissent avec des récepteurs différents, le centre de la molécule est très conservé. En revanche, les " T-loop " et " C-loop " diffèrent, ce qui conforte l'hypothèse selon laquelle ces régions sont importantes pour la spécificité de reconnaissance des récepteurs. Il en est de même pour le résidu Gln57 qui est spécifique des séquences de cyanobactéries (Coll. S.G. Vasudevan, James Cook University et D.L. Ollis, Australian National University, Australie).

Douze gènes sont requis pour la synthèse des vésicules à gaz chez Microcystis aeruginosa

Les cyanobactéries du genre Microcystis sont planctoniques et un grand nombre d'entre elles sont hépatotoxiques. Elles forment des efflorescences à la surface des plans d'eau en périodes estivales sous notre latitude, grâce à une abondante synthèse de "flotteurs" intracellulaires, les vésicules à gaz (GV). Un groupe de 12 gènes codant des protéines impliquées dans la synthèse des GV a été caractérisé pour la première fois chez M. aeruginosa. Dix d'entre eux sont organisés en deux opérons, gvpAIAIIAIIICNJX et gvpKFG, et deux autres, gvpV et gvpW sont transcrits indépendamment. L'analyse de quatre mutants GV- a mis en évidence des réarrangements génomiques dus à des élements d'insertion des familles IS1, IS4 et IS5. Trois d'entre eux interrompent gvpN, gvpV ou gvpW et le quatrième conduit à une délétion de la région gvpAI-AIII. Le gène gvpA qui code la protéine de structure majeure est transcrit dans les mutants GvpN-, GvpV- et GvpW- mais la protéine correspondante n'est plus synthétisée. gvpV et gvpW sont deux nouveaux gènes impliqués dans la synthèse des GV chez les bactéries et les cyanobactéries.

Une Rubisco ancestrale mise en évidence chez Microcystis aeruginosa

Comme tous les organismes qui fixent le CO2 atmosphérique au cours de la photosynthèse, M. aeruginosa synthétise une ribulose diphosphate carboxylase/oxygénase (Rubisco) de type I, de structure L8S8. Le nouveau gène identifié chez M. aeruginosa PCC 7806 code une Rubisco de type IV dont la structure est un dimère in vitro. En dépit des grandes variations de séquences en acides aminés, les structures secondaires et tertiaires de la Rubisco de type IV est semblable à celle des Rubisco des types I, II et III. La Rubisco de type IV est largement distribuée parmi les souches du genre Microcystis, mais absente des dix génomes de cyanobactéries séquencés jusqu'à présent (Coll. E. Dittmann, Humboldt Universität, Berlin, Allemagne).

3. Biosynthèse et détection des neurotoxines (A. Méjean, A. Coquin)

Les cyanobactéries synthétisent différents types d'alcaloïdes neurotoxiques qui sont mortels pour les animaux et dangereux pour l'Homme. Plusieurs homologues structuraux de l'anatoxine-a et de l'homoanatoxine-a ont été caractérisés à partir d'extraits cyanobactériens. De l'anatoxine-a et de l'homoanatoxine-a marquées au carbone 13 ont été biosynthétisées, afin d'être utilisées comme standards dans des études métaboliques ou pour la quantification de ces neurotoxines dans des échantillons naturels. Une étude de la relation entre la neurotoxicité et la présence de gènes codant des polykétide synthases impliquées dans la biosynthèse des anatoxines-a dans des souches de la collection PCC est en cours.

4. Génomes cyanobactériens (N. Tandeau de Marsac, P. Quillardet, A.M. Castets)

- Le séquençage du génome de la cyanobactérie hépatotoxique Microcystis aeruginosa PCC 7806 est en cours à la génopole de l'Institut Pasteur (Coll. S. Cole et C. Bouchier, Plate-forme Technique 1-Génomique, et P. Glaser et F. Kunst du Laboratoire de Génomique des Micro-organismes Pathogènes). Le gène codant une protéine antivirale, la microvirine, a fait l'objet d'une déclaration d'invention en Allemagne (Coll. E. Dittmann, Humboldt Universität, Allemagne).

- La séquence du génome de Prochlorococcus marinus SS120 est maintenant disponible sur les sites web suivants : http://www.bart.sb-roscoff.fr/blast/blastSS120.html ou http://www.kazusa.or.jp/cyano/ (Coll. F. Partensky, Station Biologique de Roscoff, et le Génoscope d'Evry). Cette cyanobactérie marine, très abondante dans les océans tropicaux et subtropicaux, est le plus petit microorganisme photosynthétique (0,6 μm). Comparé aux autres génomes cyanobactériens, celui de SS120 (1,75 Mb ; environ 1900 gènes) est particulièrement compact, avec très peu de gènes impliqués dans des systèmes de régulation ou de perception des signaux environnementaux. Ce génome permet d'identifier le minimum de gènes requis pour la photosynthèse.

Légendes des photos : Cyanobactéries marines des genres Trichodesmium (gauche) et Prochlorococcus (droite).

Mots-clés: Collection de cyanobactéries (PCC), Bases de données, Biodiversité, Toxines, Métabolisme, Génome



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  personnel

  Secrétariat Chercheurs Stagiaires Autre personnel
  LEFEBVRE, Jacqueline (jlefebvr@pasteur.fr) HERDMAN Michael, CNRS (Chargé de Recherche, mherdman@pasteur.fr)

HERDMAN/RIPPKA Rosmarie, IP (Chargé de Recherche, rrippka@pasteur.fr)

ITEMAN Isabelle, IP (Chargé de Recherche, iiteman@pasteur.fr)

MEJEAN Annick, Université Paris 7 (Maître de Conférences, amejean@pasteur.fr)

QUILLARDET Philippe, IP (Chargé de Recherche, philqui@pasteur.fr)

CADEL Sabrina, Etudiante stagiaire

COMTE Katia, Chercheur Post-doctorale

MARTENS Lina, Etudiante stagiaire

MLOUKA Alyssa, Etudiante en Thèse

MONARD Cécile, Etudiante en DEA

QUEST Benjamin, Chercheur Post-doctoral

TROTTET Aurore, Etudiante en DEA

WELKER Hans-Martin, Chercheur Post-doctoral

CASTETS Anne-Marie, CNRS (Assitante-Ingénieur, acastets@pasteur.fr)

COURSIN Thérèse, IP (Technicienne Supérieure de Laboratoire, tcoursin@pasteur.fr)

LAURENT Thierry, IP (Technicien de Laboratoire, tlaurent@pasteur.fr)


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