Mécanismes physiopathologiques des infections à méningocoque : d'une analyse des interactions moléculaires vers une nouvelle approche thérapeutique

Pathophysiological mechanisms of meningococcal infections : from an analysis of molecular interactions to a new therapeutic approach

• Auteur / Autrice : Loïc Le Guennec
• Direction : Sandrine Bourdoulous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Phalipon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Phalipon, Hélène Bierne, Frank Lafont, Jean Bergounioux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Bierne, Frank Lafont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neisseria meningitidis

Physiopathologie

Dynamique moléculaire

Méningococcies

Mots clés libres

Neisseria meningitidis

Purpura fulminans

Méningites

Pili de Type IV

CD147

N-Glycan tri-Antenné

Axe de polarité

Corps de Weibel-Palade

Analyse transcriptionnelle à haut débit

Inflammation

Hémostase

Traitement adjuvant

Neisseria meningitidis

Purpura fulminans

Meningitis

Type IV pili

CD147

Tri-Antennary N-Glycan

Polarity axis

Weibel-Palade body

High-Throughput transcriptional analysis

Inflammation

Hemostasis

Adjuvant therapy

Résumé

Neisseria meningitidis (Nm ou méningocoque) est une bactérie responsable de méningites et septicémies, dont la forme la plus grave, le purpura fulminans, peut être mortelle. Cette bactérie réside exclusivement dans le rhinopharynx de l'Homme et devient pathogène lorsqu'elle atteint la circulation sanguine. Les bactéries circulantes adhérent alors aux cellules endothéliales, ce qui favorise leur multiplication dans la lumière vasculaire et induit des altérations vasculaires favorisant leur dissémination dans les tissus. Cette adhérence repose sur une liaison directe entre les pili de Type IV de Nm et le récepteur endothélial CD147, suivie de l'activation du récepteur beta-2-adrénergique et de voies de signalisation menant à des modifications vasculaires pathologiques. Mes travaux de thèse ont d'abord consisté à caractériser le motif de CD147 reconnu par les pili de type IV et la réponse cellulaire précoce induite par cette interaction. J'ai démontré que la glycosylation et la sialylation de CD147 sur un site de N-glycosylation porté sur le domaine Ig proximal du récepteur est indispensable à l'interaction méningocoque/CD147 puis, par procédés enzymatiques couplés à de la spectrométrie de masse, identifié un N-glycan tri-antenné pourvu d'un acide sialique terminal. Ce N-Glycan est présent sous forme fucosylée sur d'autres récepteurs; leur défucosylation est alors suffisante pour générer ce N-glycan et favoriser l'adhésion bactérienne. Ces travaux ont permis de caractériser le déterminant moléculaire ciblé par le méningocoque pour coloniser l'endothélium, ouvrant de nouvelles perspectives pour le traitement et la prévention de ces infections invasives. Nous avons alors démontré que l'adhérence de Nm aux cellules endothéliales induit rapidement une réorientation de l'axe de polarité (noyau-centrosome) des cellules en direction du site d'adhérence des bactéries. Celle-ci permet une exocytose polarisée du contenu des corps de Weibel-Palade et l'adressage de protéines du cytosquelette aux sites d'adhérence du méningocoque. Ainsi, une modification de la polarité cellulaire induite par Nm pourrait constituer un élément déterminant pour la formation de protrusions membranaires stabilisant les bactéries à la surface endothéliale, la perte de l'intégrité vasculaire et l'initiation précoce et locale d'une réponse inflammatoire et pro-coagulante. Alors, que l'infection des cellules endothéliales périphériques par Nm s'accompagne de lésions vasculaires majeures, d'une coagulation intravasculaire, d'une inflammation incontrôlée et de l'apparition de lésions purpuriques, l'infection des cellules endothéliales cérébrales lui permet de franchir la barrière hémato-encéphalique avec une perte minimale d'intégrité. Pour déterminer si ces manifestations cliniques distinctes reposent sur une réponse fonctionnelle propre à ces deux types cellulaires, nous avons analysé la réponse des cellules endothéliales périphériques et cérébrales à l'infection par Nm via une analyse transcriptionnelle à haut débit. Ces travaux ont permis de mettre en évidence les réponses hémostatiques et inflammatoires spécifiquement activées dans ces deux types cellulaires, pouvant rendre compte des différentes manifestations cliniques observées au cours des infections invasives à méningocoque. Enfin, j'ai contribué à des travaux qui ont mené à la découverte, puis la caractérisation d'une famille de molécules qui induisent la perte des pili des type IV chez diverses bactéries et réduisent leur pathogénicité. Ces molécules inhibent de façon drastique la colonisation des vaisseaux humains par Nm et les altérations vasculaires qui en découlent (coagulation intravasculaire et inflammation) et réduisent la mortalité dans un modèle d'infection in vivo. Ces travaux constituent une découverte majeure, ouvrant la voie à une nouvelle stratégie thérapeutique pour le traitement des infections invasives à méningocoque en interférant avec un facteur de virulence clé.

Neisseria meningitidis (Nm or meningococcus) is a bacterium responsible for meningitis and septicemia, which, in the most severe cases, can lead to purpura fulminans, an often-fatal condition. This bacterium resides exclusively in the human nasopharynx and becomes pathogenic when it reaches the bloodstream. Circulating bacteria then adhere to endothelial cells, a step which favors their multiplication in the vascular lumen and induces vascular alterations thereby promoting their dissemination into tissues. This adhesion is based on a direct link between meningococcal Type IV pili and the endothelial CD147 receptor, followed by the activation of the beta-2-adrenergic receptor and downstream signaling pathways leading to pathological vascular changes. My PhD work consisted in characterizing the CD147 motif recognized type IV pili and the early cellular response induced by this interaction. I demonstrated that glycosylation and sialylation of CD147 on a N-glycosylation site carried on the proximal Ig domain of the receptor is essential for the meningococcal / CD147 interaction and then, by enzymatic processes coupled to mass spectrometry, identified a tri-antennary N-glycan provided with a terminal sialic acid. This N-Glycan is present in fucosylated form on other receptors; their defucosylation is then sufficient to generate this N-glycan and promote bacterial adhesion. This work has characterized the molecular determinant targeted by meningococcus to colonize the endothelium, opening up new perspectives for the treatment and prevention of these invasive infections. We then demonstrated that adhesion of Nm to endothelial cells rapidly induces the reorientation of the polarity axis (nuclear-centrosome axis) of the cells towards the site of bacterial adhesion. I showed that this novel orientation allows polarized exocytosis of Weibel-Palade body content and the targeting of cytoskeletal proteins at sites of meningococcal adhesion. A change in Nm-induced cell polarity could then be a determining factor for the formation of membrane protrusions stabilizing bacteria at the endothelial surface, the loss of vascular integrity, and the early and local initiation of inflammatory and hemostatic responses. While meningococcal infection of peripheral endothelial cells leads to major vascular lesions, intravascular coagulation, uncontrolled inflammation and the appearance of purpuric lesions, infection of cerebral endothelial cells allows to cross the blood-brain barrier with a minimal loss of integrity. To address whether these distinct clinical manifestations are based on different response properties of these two cell types, we analyzed the response of peripheral and cerebral endothelial cells to meningococcal infection by high-throughput transcriptional analysis. This work reavealed the hemostatic and inflammatory responses specifically activated in these two cell types, which can account for the different clinical manifestations observed during invasive meningococcal infections. Finally, I contributed to the work that led to the discovery and characterization of a family of molecules that induce the loss of type IV pili in various bacteria and reduce their pathogenicity. These molecules drastically inhibit the colonization of human vessels by Nm and the subsequent vascular alterations, intravascular coagulation and inflammation processes and reduce mortality in an in vivo model of infection. This work represents a major breakthrough, paving the way for a new therapeutic strategy for the treatment of invasive meningococcal infections by interfering with a key virulence factor.