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Theses Year : 2008

Physiological consequences of thymidylate synthase ThyX utilization.

Etude des conséquences physiologiques de l'utilisation de la thymidylate synthase ThyX.

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Abstract

The conversion of deoxyuridine 5'-monophosphate (dUMP) to deoxythymidine 5'-monophosphate (dTMP) by thymidylate synthases is one key step in the biosynthesis of pyrimidine deoxyribonucleotides. Two non homologous families of thymidylate synthases exist in the prokaryotic world (bacteria and archaea): ThyA and ThyX. The almost exclusive phylogenetic distribution of both enzyme families is complex and does not follow organismal phylogenetic relations. Proteins of both families do not share sequence or structural similarities, and the catalytic mechanisms and efficiencies are different. The work presented in this thesis demonstrates that ThyX activity is essential for the survival of the bacterium Rhodobacter capsulatus in absence of exogenous thymidine. Based upon the results of genetic complementation assays and a mathematical model of the folate metabolism, we showed that a very low dihydrofolate reductase activity is enough to allow survival of thyX containing organisms. Moreover, using a genetic approach and statistical analysis of more than 400 prokaryotic genomes, I was able to show that organisms using thymidylate synthase ThyX have slow DNA replication and growth rates, and mostly possess a small genome. Based upon these findings, I propose a model in which the weak activity of thymidylate synthases ThyX is limiting DNA replication and consequently genome expansion. Finally, I studied the pyrimidine metabolism in the human pathogenic bacterium Helicobacter pylori. In particular, I demonstrated that this bacterium is sensible to the anticancer drug ! 5-fluorouracil (5-FU) despite the absence of a uracil salvage pathway. I showed that the H. pylori orotate phosphoribosyltransferase is able to complement the uracil auxotrophy of an Escherichia coli strain, indicating that this enzyme could be responsible for the 5-FU sensitivity of H. pylori. The studies presented in this thesis allow a better understanding of the physiological consequences of the use of thymidylate synthase ThyX and provide an explanation for the apparent sporadic distribution of both thymidylate synthase families in the prokaryotic world.
La conversion par les thymidylate synthases du désoxyuridine 5'-monophosphate (dUMP) en désoxythymidine 5'-monophosphate (dTMP) est une des étapes clés de la biosynthèse des désoxyribonucléotides pyrimidiques. Chez les procaryotes (bactéries et archées), il existe deux familles de thymidylate synthases non homologues : ThyA et ThyX. La distribution phylogénétique quasi-exclusive des deux familles est complexe et ne suit pas les relations phylogéniques entre les organismes. Les protéines de ces deux familles ne présentent aucune similarité de séquence, de structure et leurs mécanismes et efficacités catalytiques diffèrent. Les travaux présentés dans cette thèse ont permis de montrer que l'activité de ThyX est essentielle à la survie de la bactérie Rhodobacter capsulatus en absence de thymidine exogène. A partir des résultats de tests de complémentation génétique et de la modélisation mathématique du métabolisme des folates nous avons pu mettre en évidence que seulement une faible activité dihydrofolate réductase était nécessaire à la survie des organismes utilisant ThyX. D'autre part, j'ai pu montrer par des approches génétiques et par l'étude statistique de plus de 400 génomes procaryotes que les organismes utilisant ThyX ont une réplication et un taux de croissance lents, et possèdent majoritairement un petit génome. Je propose un modèle dans lequel la faible activité catalytique de ThyX limite la réplication de l'ADN e! t par conséquent l'expansion du génome. Enfin, j'ai étudié le métabolisme des pyrimidines chez la bactérie pathogène humaine, Helicobacter pylori. J'ai pu en particulier mettre en évidence qu'en absence de voie de récupération de l'uracile, cette bactérie est capable de métaboliser un analogue toxique le 5-fluorouracile (5FU), utilisé comme anticancéreux. J'ai par ailleurs montré que l'orotate phosphoribosyltransférase de H. pylori était capable de restaurer l'auxotrophie pour l'uracile d'une souche d'Escherichia coli indiquant que cette enzyme pourrait être responsable de la sensibilité de H. pylori au 5FU. Les travaux présentés dans cette thèse ont permis une meilleure compréhension des conséquences physiologiques de l'utilisation de la thymidylate synthase ThyX. Ils ont notamment permis d'expliquer la distribution apparemment sporadique des deux familles de thymidylate synthases dans le monde procaryote.
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pastel-00004113 , version 1 (22-07-2010)

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Cite

Frédéric Escartin. Physiological consequences of thymidylate synthase ThyX utilization.. Life Sciences [q-bio]. Ecole Polytechnique X, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00004113⟩
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