Les endotoxines du genre Bordetella : structure, évolution et impact sur la virulence bactérienne

Endotoxins of Bordetella genus : structure, evolution and impact on bacterial virulence

• Auteur / Autrice : Sami Al Bitar Nehmé
• Direction : Martine Caroff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 13/06/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Gènes, Génomes, Cellules (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et microbiologie (Orsay)
• Jury : Président / Présidente : Michael Dubow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Caroff, Michael Dubow, Marc Feuilloley, Irina Sadovskaya, Nicole Guiso-Maclouf
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Feuilloley, Irina Sadovskaya

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse à temps de vol

Bordetella

Endotoxines

Mots clés libres

Endotoxines (LPS)

Lipide A

Bordetella

Modification structurale

MALDI

Endotoxins (LPS)

Lipid A

Bordetella

Structural modification

MALDI

Résumé

Le genre Bordetella comporte à l’heure actuelle neuf espèces, majoritairement responsables d’infections respiratoires. B. pertussis, agent de la coqueluche, est le modèle de travail de cette thèse avec d’autres espèces telles que B. holmesii et B. avium. Les endotoxines bactériennes sont les composants essentiels de la membrane externe des bactéries à Gram-négatif. Du point de vue chimique, ce sont des lipopolysaccharides (LPS) qui provoquent un grand nombre de désordres physiopathologiques allant de la simple fièvre, à faible dose, jusqu’au choc endotoxinique mortel, à forte dose. L’analyse structurale des LPS de Bordetella est la spécialité majeure du laboratoire et la structure des endotoxines de la plupart des espèces de ce genre y a été décrite. Il est admis que le lipide A, qui constitue la région hydrophobe des LPS, est responsable de la majorité des activités biologiques de ces molécules. Ainsi, la moindre variation structurale de ces molécules a une répercussion importante sur la reconnaissance hôte-pathogène, les activités biologiques et la virulence bactérienne. A titre d’exemple, il a été mis en évidence que la modification spécifique, par substitution des groupes phosphate du lipide A, avec de la glucosamine, jouait un rôle majeur dans la modulation de la réponse immunitaire. Cette originalité structurale qui a été mise en évidence dans notre équipe chez B. avium, B. bronchiseptica puis chez B. pertussis; elle semble être un trait spécifique des Bordetelles. Il faut savoir que la coqueluche fait des ravages dans les pays sous-développés et touche les nouveau-nés dans de nombreux pays, comme la France, d’une maladie infectieuse mortelle dans les cas graves. Le vaccin qui ne peut être injecté qu’à l’âge de 2-3 mois et dont les rappels ne sont pas régulièrement suivis est imparfait. Les spécialistes du domaine ont reconnu qu’un complément antigénique serait nécessaire pour le rendre plus efficace. Au cours de cette thèse, nous avons analysé la structure des LPS d’isolats cliniques de B. pertussis afin d’étudier leur évolution et leur adaptation avec le temps ainsi que leur application vaccinale potentielle. De plus, concernant deux souches de B. pertussis, BP338 et BP18-323 nous avons contribué à la mise en évidence de nouveaux gènes impliqués dans la biosynthèse de la GlcN substituant les groupes phosphate de la région lipidique et à expliquer la différence de longueur du seul acide gras distinct entre les deux souches. L’étude de l’influence de ces éléments structuraux sur l’activation du complexe, TLR4/MD-2 apporte de nouveaux éclairages sur les interactions entre les lipides A et ce récepteur. Nos études sur les isolats cliniques de B. holmesii, pathogène opportuniste responsable d’affections de type coqueluche, montrent une grande hétérogénéité structurale du lipide A au sein d’un même isolat. Nous avons montré dans cette souche la présence d’un marqueur spécifique des souches de Bordetella, il s’agit d’un acide gras présent uniquement chez les lipides A des isolats humains. Nos travaux effectués sur des isolats cliniques de B. pertussis appartenant aux ères pré- et post-vaccinales et provenant de différents pays, montrent une perte du matériel génétique avec une déficience de certains antigènes majeurs. Nous avons démontré, via des méthodes physico-chimiques, que ces modifications ne concernaient pas les LPS de ces isolats. La stabilité de ces antigènes ainsi que nos méthodes de purification, nous permettent de proposer que ces LPS détoxifiés soient de bons candidats pour améliorer l’efficacité des vaccins coquelucheux acellulaires. Enfin, toutes les études structurales présentées dans cette thèse ont permis de mieux comprendre la régulation de certains gènes en réponse à un stress extérieur. Elles participent, sur l’exemple d’un pathogène majeur, au déchiffrage des mécanismes moléculaires qui mènent à la virulence et à l’adaptation bactérienne.

The Bordetella genus is actually composed of nine species responsible for respiratory infections. B. pertussis, the agent of whooping cough, is the main model of this thesis along with other species such as B. holmesii and B. avium. Bacterial endotoxins are the major components of Gram-negative bacteria external membrane. From a chemical point of view, they are lipopolysaccharides (LPS) causing a high number of pathophysiological disorders ranging from low fever at weak doses, to lethal endotoxic choc at high ones. Structural analysis of the Bordetellae LPS is the major specialty of our group where the endotoxin structures of most species of the genus were described. It is well-known that lipid A, which constitutes the hydrophobic moiety of LPS, is responsible for the majority of biological activities of these molecules. Thus, any structural change of these molecules has an important impact on host-pathogen recognition, biological activities and bacterial virulence. For example, it has been demonstrated that the specific modification by grafting glucosamine on lipid A phosphate groups plays a major role in modulating the immune response. This structural peculiarity was highlighted by our team first in B. avium, B. bronchiseptica then in B. pertussis; it seems to be a unique trait of Bordetella. It should be noted that pertussis wreaks havoc in developing countries and affects newborns in several others, including France, where this infectious disease causes a significant death toll. The vaccine, which cannot be injected before the age of 2-3 months, could be improved and boosters are not regularly monitored. Experts in the domain have recognized the lack of an antigenic complement to make it more effective. In this thesis, we analyzed the structure of LPS from B. pertussis clinical isolates to study their evolution and adaptation over time along with their potential use in the design of new vaccines. In addition, regarding two strains of B. pertussis, BP338 and BP18-323, we have contributed to the identification of new genes involved in the biosynthesis of GlcN substituting the phosphate groups of the lipid moiety, which helped explaining the difference in the length of the single fatty acid differing between the two strains. The analysis of the influence of these structural elements on the activation of the receptor complex, TLR4/MD-2 sheds new light on the interactions between lipids A and this receptor. Our studies on clinical isolates of B. holmesii, an opportunistic pathogen responsible for pertussis-like illness, show great structural heterogeneity in the lipid A of these isolates. We showed the presence of a specific marker of Bordetella species, namely a fatty acid present only in the lipid A of human isolates. Our works on B. pertussis clinical isolates belonging to pre- and post-vaccine eras and coming from different countries show a loss of genetic material with a deficiency in certain major antigens. We have demonstrated, via physico-chemical methods, that these modifications did not affect the LPS of these isolates. The stability of these antigens and our ability to purify them, allow us to propose that detoxified LPS could be good candidates for improving the effectiveness of acellular pertussis vaccines. Finally, all structural studies presented in this thesis have provided insight into the regulation of certain genes in response to external stress. Our compiled work on a major pathogen is an important step in deciphering the molecular mechanisms leading to bacterial virulence and adaptation.