L'étude du mécanisme d'invasion des E. coli uropathogènes révèle une contribution de l'élasticité des tissus dans l'infection et définit de nouveaux acteurs cellulaires dans le couplage mécanique des integrines

The study of uropathogenic E. coli invasive mechanism reveals contribution of tissue stiffness in infection and defines new cellular actors in integrin mechanical coupling

• Auteur / Autrice : Serena Petracchini
• Direction : Amel Mettouchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 21/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité Toxines Bactériennes (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : partenaire de recherche : Institut Pasteur
• Jury : Président / Présidente : Olivier Dussurget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dussurget, Alexis Gautreau, Jean-Philippe Nougayrede, Molly A. Ingersoll, Guy Tran Van Nhieu, Petra Dersch, Alain Filloux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Gautreau, Jean-Philippe Nougayrede

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions hôte-pathogène

Transduction du signal cellulaire

Intégrines

Protéines G monomériques

Invasion bactérienne

Matrice extracellulaire

Mots clés libres

Optineurine

UPEC

Rigidité de la matrice extracellulaire

Interaction hôte-pathogène

Invasion bactérienne

Petites protéines G

Signalisation des intégrines

Mécanotransduction

Optineurin

UPEC

Extracellular matrix stiffness

Host-pathogen interaction

Bacteria invasion

Small G proteins

Integrin signaling

Mechanotransduction

Résumé

L'adhérence des cellules à la matrice extracellulaire (MEC) est un processus fondamental qui maintient l'intégrité des tissus et régule le destin, la prolifération ou la sénescence des cellules. La modification des processus d'adhérence ou l'altération de la perception mécanique de la MEC entraîne une altération de la différenciation cellulaire, de régénération tissulaire, ainsi que des processus tumoraux et métastatiques. Hautement ciblés par un large éventail d'agents pathogènes, les intégrines sont les principales médiatrices de l'adhérence cellule-MEC. Les bactéries pathogènes interagissent avec des organes et des tissus présentant des propriétés mécaniques diverses. La manière dont le dialogue entre l'agent pathogène, la cellule hôte et les caractéristiques mécaniques de l'environnement influencent le processus d'infection est une question peu étudiée qui permettra de relever les principaux défis futurs en matière de résistance aux antibiotiques. Les E. coli uropathogènes (UPEC) sont responsables de 70 à 95 % des infections des voies urinaires (UTI), entraînant des coûts importants en matière de santé publique. Les UPEC produisent la toxine Facteur Cytotoxique Necrosant1 (CNF1), qui cible un des majeurs mécanosenseur de l'hôte: le cytosquelette d'actine. CNF1 induit l'activation permanente de la GTPase Rac1 par la déamidation d'une glutamine en position 61 en acide glutamique. Après activation, Rac1 est ubiquitylé et envoyée vers le système de dégradation protéasomale par l'E3 ubiquitine ligase cellulaire HACE1. Un autre facteur de virulence clé est le pilus de type 1, et son adhésine FimH. FimH permet aux bactéries d'adhérer aux tissus de l'hôte et de favoriser l'invasion des cellules urothéliales. La pathogenèse des UPEC implique une interaction intime entre l'adhésine FimH et le récepteur de l'hôte, l'intégrine beta-1. Dans le cadre de ma thèse, nous avons utilisé l'UPEC comme modèle pour aborder les questions relatives aux mécanismes biophysiques et moléculaires qui sous-tendent le processus de colonisation des tissus, en nous concentrant sur les premières étapes de l'infection. Nous avons découvert que CNF1 et FimH coopèrent aux premières étapes de l'infection pour activer les voies de mécanosignalisation en aval des intégrines. Nous montrons que l'invasion des UPEC augmente en fonction de la rigidité de la MEC. Nous avons utilisé une approche protéomique pour identifier les protéines régulées par la rigidité de la MEC qui pourraient être impliquées dans l'invasion des bactéries et nous avons trouvé l'Optineurine (OPTN). Nous montrons que OPTN, un partenaire de HACE1 connu pour être impliqué dans les réponses hôte-pathogène, augmente avec la rigidité de la MEC. Nous avons pu démontrer que l'OPTN est un régulateur positif de l'activité de HACE1, déclenchant l'inactivation de Rac1. Nous avons caractérisé le rôle de l'OPTN dans l'invasion bactérienne et constaté que, bien que l'adhésion bactérienne aux cellules ne soit pas affectée et que l'activité de Rac1 soit élevée dans les cellules dépourvues d'OPTN, la perte d'OPTN réduit l'invasion bactérienne. Trois techniques différentes ont confirmé que l'OPTN régule les forces de traction dans la cellule: la perte de l'OPTN entraîne une incapacité des adhésions focales (AF) à créer des forces de traction, bien qu'elles soient matures et capables de signaler pour réguler les processus cellulaires fondamentaux tels que la division. De plus, la perte d'OPTN bloque la coopération CNF1-FimH dans l'activation des intégrines. Ces résultats permettent d'identifier un nouveau composant de la machinerie de perception mécanique et contribuent à la compréhension des forces cellulaires impliquées dans le processus d'infection par les UPEC.

Cell adhesion to the extracellular matrix (ECM) is a fundamental process maintaining tissue integrity, regulating stem cells fate, proliferation or senescence. Modification of adhesion processes or alteration of mechanical sensing of the environment results in impaired cell differentiation, transformation and metastatic processes, as well as absence of tissue regeneration. Highly targeted by a wide range of pathogens during host infection, integrin receptors are master mediators of cell-ECM adhesion. Pathogenic bacteria interact with organs and tissues displaying diverse features and mechanical properties, which can change physiologically or pathologically. How the cross talk among the pathogen, the host cell, and the mechanic features of the environment is influencing the infection process is a question poorly investigated, while awareness is emerging on the importance of understanding the actors of this crosstalk to tackle the main future challenges in antibiotic-resistance. Uropathogenic E. coli (UPEC) are responsible of 70-95% of the Urinary Tract Infections (UTIs), comprising cystitis, prostatitis and pyelonephritis. These are recurrent or chronic infections causing significant costs in public health. UPEC produce the Cytotoxic Necrotizing Factor1 (CNF1) toxin, targeting one of the major host mechano-sensor and -adaptor, namely the actin cytoskeleton. CNF1 induces the permanent activation of the small GTPase Rac1 through the deamidation of a single glutamine into glutamic acid. Upon activation, Rac1 is ubiquitylated and sent to the proteasomal degradation system by the cellular E3 ubiquitin ligase HACE1.Thanks to CNF1 expression, UPEC hijack the host cell machineries in its favor. Another key virulence factor responsible for the establishment of UTIs is the type-1 pilus, tipped by the adhesin FimH. FimH allows bacteria to bind host tissues, withstanding the bulk flow of urine, and to promote the invasion of urothelial cells. UPEC pathogenesis involves an intimate crosstalk between the adhesin FimH and the host cell receptor beta-1 integrin. In my thesis work, we used UPEC as a model to address questions on the biophysical and molecular mechanisms standing behind the process of tissue colonization, focusing on the early stages of cell adhesion and invasion. By modulating integrin activation through two complementary approaches, we could better characterize integrin role in bacterial uptake. First, we show that known positive regulators of cell adhesion increase bacterial uptake. Viceversa, integrin negative regulator ICAP1 impairs invasion.Moreover, we found that CNF1 and FimH virulence factors cooperate at early infection steps to activate mechano-signaling pathways downstream integrins. We then show that UPEC invasion increases as a function of the ECM stiffness. We used a proteomics approach to identify ECM stiffness-regulated proteins that could be involved in bacteria invasion and we found Optineurin (OPTN). We show that OPTN, a HACE1 partner known to be involved in host-pathogen responses, is upregulated with ECM stiffness. We could demonstrate that OPTN is a positive regulator of HACE1 activity, and thereby triggers Rac1 inactivation. We further characterized OPTN role in bacterial invasion and found that although bacterial adherence to cells in not affected and Rac1 activity is high in OPTN depleted cells, OPTN loss impairs bacterial invasion. Three different biophysical experimental setup confirmed that OPTN regulates the build-up of traction forces in the cell: OPTN loss resulted in focal adhesion (FAs) impairment to create traction forces, although FAs are fully mature and able to signalize to regulate cellular basic processes such as division. Furthermore, OPTN depletion blocks CNF1-FimH cooperation in integrin activation.These findings identify a new component of the mechanosensing machinery and give a contribution to the understanding of cellular forces and tissue mechanics involved in UPEC infection process.