Dysfonction endothéliale au cours des infections invasives à méningocoque : rôle de la rétraction des pili de type IV dans la pathogenèse de Neisseria meningitidis

Endothelial dysfunction during invasive meningococcal infections : role of type IV pili retraction in the pathogenesis of Neisseria meningitidis

• Auteur / Autrice : Isabel dos Santos Souza
• Direction : Philippe Morand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• 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 : Olivier Dussurget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal M. Boulanger, Alexandre Persat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alice Lebreton, Matteo Bonazzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules endothéliales

Fimbriae bactériens

Méningocoque

Mots clés libres

Neisseira meningitidis

Pili de type IV

Rétraction

Virulence

Neisseria meningitidis

Type IV pili

Retraction

Virulence

Résumé

Les pili de type IV (T4P) sont des structures filamenteuses dynamiques produites par diverses bactéries pathogènes et impliquées dans de nombreuses fonctions comme la motilité, l'agrégation, la capture d'ADN exogène (compétence) et l'adhérence aux surfaces ou aux cellules hôtes. Neisseria meningitidis (méningocoque), est une bactérie à Gram négatif commensale du nasopharynx humain. Dans des conditions mal élucidées, le méningocoque franchit la barrière épithéliale pour atteindre la circulation sanguine où il peut être, pathogène opportuniste mais redoutable, agent causal de septicémie (parfois de purpura fulminans) et/ou de méningite, connues pour leurs taux de morbidité et mortalité élevées. Le méningocoque porte des T4P qui sont essentiels à la colonisation massive des vaisseaux humains, étape essentielle vers une infection invasive. Les T4P du méningocoque peuvent être rétractés grâce à l'ATPase PilT et cette rétraction est requise pour induire l'altération de l'endothélium infecté et l'évolution vers la létalité. La rétractation génère des forces très élevées, supérieures à 100pN, transmises à la fois aux bactéries elles-mêmes et aux cellules de l'hôte, dont le rôle dans la pathogenèse a été peu étudié. Dans ce travail, par comparaison d'une souche de méningocoque sauvage (WT) avec un variant isogénique déficient pour la rétraction (DpilT), nous avons analysé, au cours de l'infection, le rôle de la rétraction sur les cellules endothéliales et sur la virulence du méningocoque. Nos résultats in vitro sur des cellules endothéliales primaires ont montré que l'intégrité cellulaire était préservée lors de l'infection par DpilT, alors que la souche WT induisait la déstabilisation des jonctions endothéliales, le détachement et la mort des cellules. Contrairement au variant 'pilT, l'infection par la souche WT conduisait à la libération d'exosomes caractérisés par le tracking et analyse protéomique. A l'inverse, l'infection avec DpilT a montré la libération par les cellules endothéliales de deux facteurs de croissance dérivés des plaquettes (PDGF) connus pour leur rôle dans l'homéostasie des vaisseaux. Dans un modèle d'infection systémique in vivo (souris SCID greffée avec de la peau humaine), l'infection avec le WT a montré, malgré des colonisations vasculaires similaires, des thrombi et des occlusions vasculaires plus importants qu'avec DpilT. Ces lésions étaient prévenues par administration de PDGF-BB recombinant aux souris infectées par la souche WT. Pour analyser le rôle de la rétraction des T4P dans la virulence bactérienne, nous avons également conduit une approche transcriptomique comparative in vivo (Dual-RNAseq). Nous avons identifié 65 gènes régulés différentiellement entre les souches WT et DpilT lors de l'infection in vivo. Aucun de ces gènes ne codait pour des facteurs de virulence déjà décrits pour le méningocoque mais nous avons identifié des régulateurs-clés de l'adaptation métabolique, une lipoprotéine putative en cours de caractérisation et le système de sécrétion à deux partenaires (TPS), tous impliqués dans les dysfonctionnements vasculaires et l'évolution létale de l'infection. Enfin, par une approche comparative d'infection de cellules endothéliales cérébrales ou dermales, des facteurs endothéliaux cytoprotecteurs ont été identifiés et leur rôle a pu être confirmé, dans un modèle d'infection in vivo, par la survie accrue des animaux traités. Au total, par l'analyse du rôle de la rétraction des T4P au cours de l'infection, ce travail a permis d'identifier de nouveaux facteurs bactériens et endothéliaux qui ont un rôle central dans l'infection invasive à méningocoque et présentent un fort potentiel thérapeutique dans le traitement des infections.

Type IV pili (T4P) are dynamic filamentous structures produced by various pathogenic bacteria and are involved in many functions such as motility, aggregation, exogenous DNA capture (competence) and adhesion to surfaces or host cells. Neisseria meningitidis (meningococcus), is a commensal Gram-negative bacterium of the human nasopharynx. Under poorly understood conditions, the meningococcus crosses the epithelial barrier and reaches the bloodstream where it becomes a dreadful opportunistic pathogen in the form of septicaemia, the most severe form of which being purpura fulminans, and/or meningitis, known for their high morbidity and mortality rates. T4P allow meningococci to massively colonize human vessels, which paves the way to invasive disease. T4P can be retracted, which is under the control of the meningococcal PilT ATPase and generates extremely high forces, above 100pN, that trigger mechanical signals to both bacteria themselves and to endothelial cells they attach to. It has been recently observed that T4P retraction via PilT is required to induce endothelial damage and progression to lethal sepsis however, how these forces contribute to bacterial pathogenesis had been poorly studied. Here, using both the wild type (WT) and a retraction-deficient strain (DpilT) in infection, we analyzed the effect of T4P retraction on vascular cells and its impact on meningococcal virulence. Our in vitro results showed that, whereas infection of primary endothelial cells with the WT strain induced destabilization of endothelial cell junctions, cell detachment and cell death, cell monolayer integrity was preserved upon infection with DpilT. Furthermore, in contrast to DpilT, infection with the WT strain led to exosome release, as confirmed by extracellular vesicle tracking and proteomics approaches. Infection with the DpilT strain showed the endothelial release of two platelet-derived growth factors (PDGFs) known to be involved in vessel stabilization. Using a humanized murine infection model (parenteral infection of SCID mice grafted with human skin), we demonstrated in vivo that, although both strains induced similar vascular colonization, infection with the WT generated much larger and more occlusive thrombi than infection with the DpilT strain. Administration of recombinant PDGF-BB in mice infected with the WT strain reduced vascular alterations in vivo. To further elucidate the role of T4P retraction in bacterial virulence, we then conducted a comparative transcriptomic approach (Dual-RNAseq) that identified 65 genes differentially regulated in WT and DpilT strains during in vivo infection. None of these genes encoded for canonical meningococcal virulence factors. However, we identified key factors involved in metabolic adaptation, a putative lipoprotein as well as a two-partner secretion system (TPS) locus which are not yet well characterized but are involved in vascular dysfunction and lethal progression during sepsis. Finally, endothelial factors differentially expressed in dermal vs brain primary endothelial cells upon infection with the meningococcus were investigated, some of them exhibiting a major cytoprotective capacity, both in our in vitro and in vivo models. Taken together, taking advantage of the involvement of PilT-mediated T4P retraction in the lethal evolution of infection due to meningococci, this work has led to the characterization of bacterial factors as well as of endothelial components that appear essential in infection pathophysiology and that show therapeutic potential in the treatment of invasive meningococcal infections.