Mécanismes de l’homéostasie du cuivre chez un pathogène strictement humain, Bordetella pertussis

Mechanisms of copper homeostasis in a strict human pathogen, Bordetella pertussis

• Auteur / Autrice : Alex Rivera-Millot
• Direction : Françoise Jacob-Dubuisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie, maladies transmissibles et hygiène
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Center for Infection and Immunity of Lille - Centre d’Infection et d’Immunité de Lille - INSERM U 1019 - UMR 9017 - UMR 8204

Mots clés

Mots clés contrôlés

Homéostasie

Cuivre

Facteurs de virulence des Bordetella

Dissertation universitaire

Bordetella pertussis

Cuivre

Virulence (microbiologie)

Bordetella pertussis

Mots clés libres

Bordetella

Cuivre

Virulence

Evolution

Bordetella

Copper

Virulence

Evolution

Résumé

Le cuivre est devenu un élément essentiel à la plupart des organismes vivants depuis l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre il y a 2,7 milliards d’années. Ce métal est utilisé dans de nombreux processus biologiques, mais les propriétés chimiques qui le rendent indispensable sont également à l’origine de sa toxicité. Cette ambivalence du cuivre a fait que tous les organismes ont développé divers systèmes permettant un maintien extrêmement strict de l’homéostasie de ce métal. Certains organismes comme les amibes ont également mis à profit ses propriétés toxiques pour la prédation d’autres organismes unicellulaires par la phagocytose. Un des mécanismes qui leur permet ensuite de tuer leurs proies est l’empoisonnement par les métaux, et en particulier par le cuivre. La phagocytose a perduré au cours de l’évolution jusqu’à constituer un acteur essentiel de l’immunité des métazoaires, dont l’humain fait partie. Les systèmes de détoxification du cuivre mis en place par les organismes procaryotes ont donc été sélectionnés par la pression exercée lors de la phagocytose. C’est ainsi que les bactéries pathogènes ont acquis des systèmes de survie à la phagocytose, dont des mécanismes de l’homéostasie du cuivre. Ces mécanismes sont variés et dépendent de la niche écologique de chaque bactérie. Les connaissances sur ce sujet se concentrent essentiellement sur les bactéries environnementales ainsi que sur quelques bactéries pathogènes, principalement intracellulaires. Ici, c’est l’homéostasie du cuivre chez Bordetella pertussis qui a été au centre de ces travaux de thèse. Cette bactérie est l’agent étiologique de la coqueluche et présente la particularité d’être un pathogène totalement dépendant de son hôte. De plus, sa niche écologique est extrêmement restreinte, se limitant à l’épithélium de l’arbre respiratoire supérieur de l’humain. Cette bactérie constitue donc un modèle nouveau pour l'étude du rôle du cuivre dans la relation hôte-pathogène. Ces travaux ont mis en évidence la perte de la plupart des systèmes de l’homéostasie du cuivre chez B. pertussis. Néanmoins, un système de détoxification original avec une régulation double a été découvert, composé de la métallochaperonne cytoplasmique CopZ et de deux enzymes impliquées dans la détoxification du stress oxydant. Les travaux de cette thèse ont permis d’émettre l’hypothèse que ce système propre aux Bordetella est impliqué dans la survie à la phagocytose par les cellules immunitaires, seule source d’excès de cuivre dans la niche écologique de B. pertussis. La métallochaperonne CopZ détoxifie le cuivre libre par complexation et les deux enzymes permettent de réduire la concentration de peroxyde d’hydrogène à l’origine du stress oxydant causé par les réactions de Fenton et d’Haber-Weiss. La co-régulation de ce système par le cuivre et le peroxyde d’hydrogène permet son activation sélective et très dynamique en réponse aux mécanismes liés à la phagocytose. Le rapport entre coût énergétique de ce système pour la bactérie et la protection qu’il lui assure doit être suffisamment favorable pour qu’il ait été spécifiquement sélectionné dans l’évolution de ce pathogène très spécialisé.Ces travaux ont permis de déterminer les mécanismes de tolérance au cuivre présents chez B. pertussis, ainsi que la sélection évolutive que ces systèmes ont subie chez Bordetella.

Copper has become an essential element for most living organisms since the adventof oxygen in the Earth’s atmosphere, 2.7 billion years ago. This metal is used in manybiological processes. However, the electronic properties that make it crucial for life are alsowhat makes it poisonous. This ambivalent biological impact has forced organisms to acquirean increasing number of mechanisms dedicated to maintaining a strict control over copperhomeostasis. In addition, a few organisms such as amoebae have taken advantage of its toxicproperties. Those lower eukaryotes have developed a complex predation mechanism to feedon other unicellular organisms, phagocytosis, and make use of metal poisoning, in particularcopper, to kill their preys. Phagocytosis has persisted over the course of evolution to becomea key actor of innate immunity in metazoans, including humans. Copper detoxificationmechanisms developed by prokaryotic organisms have likely been selected through thepressure exerted by phagocytosis. In particular, copper homeostasis regulation mechanismsare part of the strategies adopted by pathogenic bacteria to survive phagocytosis. Thesemechanisms vary depending on the ecological niche of each species. Studies on this topichave mainly focused on environmental bacteria and on pathogenic bacteria, especially thosewith an intracellular lifestyle. Copper homeostasis in Bordetella pertussis is at the centre ofthis thesis. This bacterium is the etiologic agent of whooping cough whose peculiarity is to bestrictly dependent on its host. Furthermore, its ecological niche is very limited, as it onlyinfects the human upper respiratory epithelium. This bacterium represents a new model tostudy the role of copper in host-pathogen relationships. This work has revealed the loss ofmost copper homeostasis systems in B. pertussis. An original detoxification mechanism witha composite regulation has been identified that includes the cytoplasmic metallochaperoneCopZ and two enzymes catalyzing detoxification of peroxides. This thesis work has led to thefollowing hypothesis: this system, which is a distinctive feature of the Bordetella genus, isinvolved in survival to phagocytosis, the only situation where the bacterium experiencescopper excess in its ecological niche. The metallo-chaperone CopZ mediates thedetoxification of free copper by complexation, and together the two enzymes decrease theconcentration of hydrogen peroxide, which causes oxidative stress through the Fenton andHaber-Weiss reactions. The co-regulation of this system by copper and hydrogen peroxideresults in a very dynamic and selective activation, specific to phagocytosis-relatedmechanisms. This system offers a sufficiently favorable cost-benefit balance to have beenselected over the course of the evolution of this host-restricted pathogen.This work has led to the identification of copper tolerance mechanisms in B. pertussisand to the description of their evolutionary selection among Bordetellae.