Régulation des modifications membranaires entrainées par la formation de biofilms chez Escherichia coli

Regulation of membrane modifications in Escherichia coli biofilms

• Auteur / Autrice : Magdalena Szczesny
• Direction : Jean-Marc Ghigo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie. Microbiologie
• Date : Soutenance le 06/10/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique des biofilms (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement en préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Martin-Verstraete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Ghigo, Isabelle Martin-Verstraete, Christiane Forestier, Emmanuelle Bouveret, David J. Clarke, Pierre Génevaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christiane Forestier, Emmanuelle Bouveret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries à Gram négatif

Lipoylation

Syndrome lymphoprolifératif avec auto-immunité

Lipide A

Biofilms

Mots clés libres

Enveloppe cellulaire à Gram négatif

Gram-negative cell envelope

Résumé

Le développement de bactéries sous la forme de communautés multicellulaires, appelées biofilms, engendre la formation d’un environnement très hétérogène dans lequel les bactéries sont confrontées à différents stress nécessitant un rapide réajustement de leur métabolisme et de leur physiologie. Cette capacité d’adaptation ainsi que des études transcriptomiques, suggèrent fortement que les bactéries vivant sous forme de biofilm puissent présenter des propriétés nouvelles en comparaison à des bactéries planctoniques. Cela nous a conduit à examiner si la formation de biofilm chez Escherichia coli pouvait engendrer des modifications originales de l’enveloppe bactérienne. Nous avons tout d’abord comparé la structure du lipopolysaccharide de bactéries issues de cultures planctoniques et biofilms et mis en évidence que la formation de biofilm chez les bactéries à Gram négatif entraine une augmentation du niveau de palmitoylation du lipide A dépendante de l’enzyme PagP et contribuant à la tolérance des bactéries aux agents antimicrobiens. L’étude des mécanismes sous-jacents a permis de déterminer que cette augmentation du niveau de palmitoylation est, en partie, causée par une induction de l’expression de pagP qui est spécifique au biofilm et regulée par RcsB en réponse à l’osmolarité du biofilm. Nous avons également étudié l’impact de l’adaptation des bactéries au mode de vie biofilm sur la structure de la paroi bactérienne et mis en évidence des différences dans les ponts inter peptidiques présents au sein du peptidoglycane qui pourraient conduire à une augmentation de la rigidité de l’enveloppe bactérienne ainsi qu’à la résistance au stress chez les bactéries. Pour finir, nous avons examiné si les protéines SPFH (QmcA HflK HflC YqiK) associées à des microrégions spécialisées de la membrane -ou radeaux lipidiques- pouvaient jouer un rôle dans la formation de biofilm chez E. coli. Alors que les gènes codant pour ces protéines ne semblent pas être induits en biofilm ni être essentiels à son développement, nous avons identifié plusieurs régulateurs influençant leur expression ainsi que plusieurs fonctions associées aux protéines SPFH que nous sommes en train d’étudier.

The development of bacterial multicellular communities, called biofilms, creates a highly heterogeneous environment, in which bacteria subjected to various stresses need to quickly readjust their metabolism and physiology. This capacity of adaptation, confirmed by many transcriptome analyses, strongly suggest that biofilm bacteria could display novel properties compared to individualized cells. This prompted us to investigate whether biofilm formation could trigger original membrane modifications in Escherichia coli. We first compared the lipopolysaccharide structure of planktonic and biofilm bacteria and demonstrated that biofilms formed by Gram-negative bacteria undergo an increase in lipid A palmitoylation mediated by the PagP enzyme and contributing to bacterial resistance to antimicrobial peptides and host immune defenses. Investigation of the underlying mechanisms of this phenomenon allowed determining that increased lipid A palmitoylation is, at least partially, due to a biofilm-specific and RcsB-dependent induction of pagP expression in response to biofilm osmolarity. We also investigated how bacterial adaptation to the biofilm environment could impact the cell wall structure and identified differences in peptidoglycan linkages that could increase cell rigidity and bacterial resistance to stress. Finally, we investigated the potential role in biofilm formation of E. coli SPFH proteins (QmcA HflK HflC YqiK) associated with dynamic membrane microdomains - or lipid rafts-. Whereas SPFH encoding genes are not differentially expressed in biofilm and are not essential for biofilm formation, we identified several regulators impacting their expression and several functions associated to SPFH proteins that we identified is currently under investigation.