Étude de la production de colibactine par Escherichia coli en fonction de la concentration en oxygène

Study of colibactin production by Escherichia coli depending on oxygen concentration

• Auteur / Autrice : Nadège Bossuet
• Direction : Eric Oswald
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en santé digestive (Toulouse ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Marteyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria-Halima Laaberki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandra Da Re

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène actif dans l'organisme

Génotoxines

Escherichia coli

Mots clés libres

Escherichia coli

Oxygène

Colibactine

Génotoxine

Dommage à l'ADN

Escherichia coli

Oxygen

Colibactin

Genotoxin

DNA damage

Résumé

Escherichia coli est une bactérie anaérobie facultative commune du microbiote intestinal de l'Homme. Certaines souches de E. coli peuvent être porteuses de l'ilot génomique pks codant pour une machinerie de biosynthèse produisant une génotoxine nommée la colibactine. L'ilot pks est régulé par différents facteurs environnementaux participant au métabolisme de la bactérie tels que le fer, les sources de carbone ou les polyamines. Dans l'intestin, la faible concentration en oxygène est un élément clé qui contribue à l'équilibre des populations microbiennes avec une majorité de bactéries anaérobies strictes. Les E. coli pks+ sont fréquemment associées aux tumeurs de cancer colorectal dans lesquelles la signature mutationnelle de la colibactine a été identifiée. La tumorogénèse est favorisée par les E. coli pks+ dans un contexte inflammatoire de l'intestin. Cet effet négatif pourrait être dû à une rupture de l'anaérobiose intestinale. L'objectif de ma thèse a donc été de déterminer si la production de colibactine pouvait être régulée par la concentration en oxygène. Cette hypothèse était appuyée par l'observation préalable de la sensibilité d'un mutant de la protéine de résistance à la colibactine ClbS lors d'une culture limitée en oxygène. Mes travaux de thèse ont confirmé le rôle de l'oxygène dans la production de colibactine par E. coli pks+ avec un maximum de production en anoxie, qui diminue avec l'augmentation de la concentration en oxygène entrainant une baisse de la génotoxicité sur les cellules eucaryotes. J'ai également établi que cette régulation dépendante de l'oxygène est effectuée par le régulateur transcriptionnel ArcA (Aerobic Respiration Control) qui induit directement le promoteur de clbB. En conclusion, la synthèse de la colibactine est régulée positivement par ArcA activée par de faibles concentrations en oxygène. Ces résultats montrent que la production de colibactine serait favorisée dans l'environnement hypoxique de la lumière intestinale, des tissus infectés et des tumeurs. Cette régulation de la production confèrerait un avantage adaptatif dans la compétition bactérienne mais causerait des dommages collatéraux sur les cellules eucaryotes.

Escherichia coli is a common facultative anaerobic bacterium to the human intestinal microbiota. Some E. coli strains may carry the pks genomic island encoding a biosynthesis machinery producing a genotoxin called colibactin. The pks island is regulated by various environmental factors involved in the bacterium's metabolism, such as iron, carbon sources and polyamines. In the intestine, low oxygen concentration is a key factor contributing to the balance of microbial populations with a majority of strict anaerobic bacteria. E. coli pks are frequently associated with colorectal cancer tumours in which the colibactin mutational signature has been identified. Tumorigenesis is favoured by E. coli pks+ in an inflammatory context of the intestine. This negative effect could be due to a breakdown in intestinal anaerobiosis. The aim of my thesis was to determine whether colibactin production could be regulated by oxygen concentration. This hypothesis was supported by the previous observation of the sensitivity of a mutant of the colibactin resistance protein ClbS to oxygen-limited culture. My thesis work confirmed the role of oxygen in colibactin production by E. coli pks+, with production peaking in anoxia and decreasing with increasing oxygen concentration, resulting in reduced genotoxicity on eukaryotic cells. I also established that this oxygen-dependent regulation is carried out by the transcriptional regulator ArcA (Aerobic Respiration Control), which directly induces the clbB promoter. In conclusion, colibactin synthesis is positively regulated by ArcA activated by low oxygen concentrations. These results show that colibactin production is favoured in the hypoxic environment of the intestinal lumen, infected tissues and tumours. This regulation of production would confer an adaptive advantage in bacterial competition but would cause collateral damage to eukaryotic cells.