Faculté des sciences

Comparison of proteolytic system secreted in dermatophytes and 'Aspergillus fumigatus', used as a reference

Sriranganadane, Dev ; Neuhaus, Jean-Marc (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2011 ; 2236.

Les dermatophytes sont des champignons pathogènes qui se développent dans le stratum corneum de la peau, les ongles et les cheveux et sont la cause du plus grand nombre des mycoses cutanées. En culture dans un milieu ne contenant que de la kératine, ces champignons sécrètent de nombreuses protéases pour digérer cette source de protéine en acides aminés et petits peptides qui sont... Plus

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    Résumé
    Les dermatophytes sont des champignons pathogènes qui se développent dans le stratum corneum de la peau, les ongles et les cheveux et sont la cause du plus grand nombre des mycoses cutanées. En culture dans un milieu ne contenant que de la kératine, ces champignons sécrètent de nombreuses protéases pour digérer cette source de protéine en acides aminés et petits peptides qui sont utilisés comme nutriments. Les protéases sécrétées par les dermatophytes sont similaires à celles sécrétées par les espèces du genre Aspergillus. C’est pourquoi, le champignon Aspergillus fumigatus a été utilisé dans ce travail pour étudier les différentes étapes de dégradation des protéines par des champignons tels que les dermatophytes à pH acide et à pH neutre.

    Lors de la première étape de ce travail, nous avons montré que deux différents ensembles de protéases étaient sécrétés par Aspergillus fumigatus à pH 4.0 et à pH 7.0. A pH 7.0, cet ensemble comprend une subtilisine et une métalloprotéase qui sont des endoprotéases, des aminopeptidases non spécifiques (Laps pour leucine aminopeptidases) et une dipeptidylpeptidase IV (DppIV) qui est une X-prolyl peptidase. Il était connu que des peptides générés par une activité endoprotéolytique sur des grandes protéines pouvaient être digérés ensuite synergiquement par les Laps et la DppIV. Lors de ce processus les Laps ôtent les acides aminés un par un depuis l’extrémité N-terminale d’un peptide jusqu’à une séquence X-Pro où les laps s’arrêtent. Toutefois, les séquences X-Pro sont enlevées par la DppIV qui génère ainsi un nouveau substrat pour les Laps. A pH 4.0, l’ensemble des protéases sécrétées par Aspergillus fumigatus comprenait une pepsine, une protéase inconnue de la classe des glutamique-protéases (appelée ici AfuGprA), des sédolisines (SED) qui avaient été caractérisées comme étant des tripeptidyl-peptidases non spécifiques, et une nouvelle protéase de la famille S28 (appelée ici AfuS28). Il a été montré dans ce travail que des grands peptides pouvaient être digérés à pH acide par les activités synergiques des Seds et AfuS28. Lors de ce processus les Seds ôtent les acides aminés trois par trois depuis l’extrémité N-terminale d’un peptide jusqu’à une proline en position 3 ou 4. Toutefois, les séquences d’arrêt X-XX-Pro et X-X-XX-Pro sont enlevées par l’activité d’AfuS28 qui génère ainsi un substrat dégradable par les Seds. En conclusion, chacun des eux ensembles des protéases sécrétées par Aspergillus fumigatus comprenait des aminopeptidases non spécifiques butant sur des résidus Pro, et une prolyl peptidase. L’activité de cette dernière enzyme génère un nouveau substrat pour les aminopeptidases non spécifiques.

    La deuxième étape a consisté en l’étude d’AfuGprA et son importance dans l’activité endoprotéolytique d’Aspergillus fumigatus. Nous avons montré que soit Pep soit AfuGprA était nécessaire pour la croissance du champignon à pH acide dans un milieu contenant des protéines non dégradées comme seul nutriment.

    Et enfin, la dernière partie de cette thèse s’est focalisée sur l’identification des protéases sécrétées par deux espèces de dermatophytes, Microsporum canis et Arthroderma benhamiae dans un milieu ne contenant que des protéines. Comme chez Aspergillus fumigatus, ces deux dermatophytes sécrètent à pH 4.0 et à pH 7.0 un ensemble particulier de protéases. Nombres de ces protéases ne sont pas connues chez ces dernières, mais sont des orthologues probables de protéases caractérisées chez Aspergillus fumigatus. C’est la première fois que des protéases acides sont identifiées à pH acide chez ces champignons. Ces investigations suggèrent des mécanismes communs de dégradation des protéines chez les Aspergillus et chez les dermatophytes.
    Summary
    Dermatophytes are highly specialized pathogenic fungi which grow exclusively in the stratum corneum, nails or hair and are the most common agents of superficial mycoses. In a medium containing keratin as the sole nitrogen source they secrete a set of endo- and exoproteases able to digest keratin into amino acids and short peptides to be assimilated. Proteases secreted by dermatophytes are similar to those of Aspergillus spp. Therefore, Aspergillus fumigatus was used as a model to investigate the different steps of protein degradation in acidic and neutral environments by fungi such as dermatohytes.

    During growth in a protein medium at neutral pH, Aspergillus fumigatus secretes neutral and alkaline endoproteases, an X-prolyl peptidase (DppIV) and leucine aminopeptidases (Laps) which are non-specific monoaminopeptidases. Laps cannot remove any amino acids from a peptide with a N-terminal X-Pro sequence. However, large peptides generated from protein digestion by endoproteolysis can be further digested into amino acids and X-pro dipeptides by the synergistic action of Laps and DppIV. We have shown that A. fumigatus secretes a distinct set of proteases at acidic pH which includes an aspartic endoprotease of the pepsin family (Pep1), a novel glutamic protease, AfuGprA, homologous to Aspergillus niger aspergillopepsin II, tripeptidyl-peptidases of the sedolisin family (SedB and SedD) and a novel prolylpeptidase, AfuS28.

    The importance of AfuGprA in protein digestion was evaluated by deletion of its encoding gene in A. fumigatus wild type D141 and in a pepΔ mutant. We have shown that either A. fumigatus Pep or AfuGprA is necessary for fungal growth in protein medium at acidic pHIn conclusion, Pep and AfuGprA constitute a pair of endoproteases active at acidic pH in analogy to A. fumigatus alkaline protease (Alp) and metalloprotease I (Mep), where at least one of these enzymes is necessary for fungal growth in protein medium at neutral pH.

    We have shown that Seds and AfuS28 synergistically digest large peptides generated by exoprotease activity into amino acids, di- and tripeptides. Seds degrade peptides from their N-terminus into tripeptides, however Pro in P1 and P’1 position acts as a stop sequence. In a complementary manner, X-X-Pro and X-X-X-Pro sequences can be removed by AfuS28 thus allowing Seds further sequential proteolysis. In conclusion, both alkaline and acidic sets of proteases contain exoprotease activity capable of cleaving after proline residues not bypassed by other exoproteases.

    In a third part of this thesis we have tested the ability of two dermatophyte species, Microsporum cani and Arthroderma benhamiae, to grow in a protein medium that promotes secretion of proteases. We have shown that at neutral and acidic pH, dermatophytes secreted different proteases. Our investigation revealed new dermatophyte secreted proteases homologous to those secreted by A. fumigatus and suggests common basic mechanisms for extracellular protein digestion in dermatophytes and in Aspergillus spp. at acidic and neutral pH.