Adaptation de Staphylococcus aureus aux antibiotiques ciblant FASII dans l'hôte et stratégies de potentialisation des activités antibiotiques

Staphylococcus aureus Adaptation to FASII-Targeted Antibiotics in Host Environments and Strategies to Potentiate Antibiotic Activities

• Auteur / Autrice : Paprapach Wongdontree
• Direction : Jamila Anba-Mondoloni, Alexandra Gruss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MICALIS- Microbiologie de l'Alimentation au service de la santé humaine - Ingénierie et plateformes au service de l'innovation thérapeutique (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....) - Institut Cochin (Paris ; 2002-....) - MRC Centre for Bacterial Resistance Biology (Londres ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Bury-Moné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karen Moreau, Béatrice Py, Andreas Peschel, Christophe Grangeasse, Emmanuelle Bouveret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karen Moreau, Béatrice Py

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides teichoïques

Virulence (microbiologie)

Stress oxydatif

Lipides des membranes

Acides gras

Staphylocoque doré

Mots clés libres

Staphylococcus aureus

Synthèse des acides gras

Stress oxydatif

Virulence

Acide lipotéichoïque

Staphylococcus aureus

Fatty acid synthesis

Oxidative stress

Virulence

Lipoteichoic acid

Résumé

Staphylococcus aureus est un pathogène opportuniste responsable d’infections difficiles à traiter dues à l’inefficacité des antibiotiques actuels. En 2019, cette bactérie a causé le taux de mortalité mondial le plus élevé. La nécessité de recherche de nouveaux antibiotiques a permis de développer de nouvelles molécules inhibant la synthèse des acides gras de type II (FASII). Cependant, ces molécules anti-FASII présentent une faiblesse : S. aureus et les pathogènes Firmicutes sont capables de contourner l’inhibition de FASII par incorporation d’acides gras environnementaux présents dans l’hôte (eFA). L’objectif de ma thèse est d’élucider et comprendre comment le contournement des anti-FASII permettent un regain de développement bactérien. Ceci a permis d’identifier les points faibles de l’adaptation de S. aureus aux anti-FASII afin de développer des traitements en bi-thérapie associant d’autres molécules. Deux principales pistes sont développées. 1) Une approche protéomique couplée aux études physiologiques ont permis de mettre en évidence que l’anti-FASII provoque une résistance accrue au stress oxydant associée à une baisse de la virulence via une reprogrammation des fonctions bactériennes. Les données in vitro sont confirmées in vivo dans un modèle d’insecte montrant que la mortalité des bactéries adaptées à l’anti-FASII est plus lente que les bactéries non traitées. Un pré-traitement par H₂O₂ avant l’ajout des anti-FASII accélèrerait l’adaptation. Par ailleurs, il a été montré qu’un tel traitement active l’efflux des antibiotiques. Ce prétraitement stimulerait l’incorporation des eFA permettant une adaptation rapide à l’anti-FASII. En réponse à l’infection les cellules hôte se défendent en produisant du H₂O₂ suggérant que les bactéries adaptées à l’anti-FASII pourrait présenter un avantage sélectif dans de tels biotopes engendrant un état de persistance des bactéries. 2) Les analyses des données protéomiques ont révélé que UgtP, enzyme impliquée dans la synthèse de l’acide lipotéichoique (LTA), n’était plus produite dans les bactéries adaptées à l’anti-FASII. Après son adaptation à l’anti-FASII, le LTA n’est plus détectable par immunoprécipitation. Ce phénomène est indépendant de la nature des acides gras présents dans les phospholipides membranaires. Les fonctions du LTA dans la division et la croissance sont décrites comme essentielles, comment la bactérie prolifère en son absence ? Contrairement au LTA, l’acide teichoique pariétal (WTA) et la cardiolipine sont surproduits. L’une ou l’autre molécule peut compenser la perte d’expression du LTA. L’absence simultanée du LTA et du WTA est létale pour la bactérie. Ainsi la synergie d’un anti-FASII couplé à un inhibiteur de la synthèse du WTA (le targocil) a été étudiée. Tous ces résultats montrent que les bactéries adaptées à un anti-FASII sont moins virulentes et plus résistantes au stress oxydatif. Un lien entre le stress oxydatif et l’incorporation des acides gras est pour la première fois démontré. Un élément du métabolisme des acides gras (FASII) impacte la synthèse du LTA. Ce travail souligne l’importance des lipides membranaires dans la pathogénie de S. aureus et ouvre de nouvelles perspectives de traitements en bi-thérapie.

Staphylococcus aureus is a common opportunist pathogen causing infections that are notoriously difficult to treat due to antibiotic failure. In 2019, S. aureus caused the highest mortality among pathogens. The need for new treatments spurred the development of a novel pipeline class of antibiotics targeting the fatty acid synthesis (FASII) pathway. However, the use of FASII antibiotics has an inherent flaw: S. aureus, and several Firmicute pathogens, are able to compensate FASII inhibition by incorporating environmental fatty acids (eFAs) as present in the host. The aim of my thesis project is to elucidate the factors contributing to this FASII antibiotic adaptation and to analyze the consequences on bacterial fitness. This information will be used to identify the weak points of anti-FASII-adapted S. aureus, and to develop a bi-therapy treatment coupled with anti-FASII. Two main findings are reported. 1) Using combined omics and physiological approaches, we show that anti-FASII adaptation reprograms S. aureus to be more oxidative stress resistant, but less virulent. These in vitro results were in accordance with studies in an insect model, showing that anti-FASII-adapted S. aureus killed insects slowly compared to non-treated S. aureus. Priming S. aureus with H₂O₂ accelerated FASII-antibiotic adaptation. Previously, H₂O₂ priming was reported to stimulate antibiotic efflux. In contrast, H2O2 priming stimulates fatty acid (FA) incorporation, thereby accelerating anti-FASII adaptation via a unique mechanism. As the host produces H₂O₂ as part of its antibacterial defense mechanism, FASII-antibiotic-adapted S. aureus may have a fitness advantage in some host biotopes. Collectively, reduced virulence and greater oxidative stress resistance may provide S. aureus a means to escape detection and persist in the host. Noted, this is the first report showing the link between oxidative stress and FA incorporation. 2) Our proteomics analyses revealed that a lipoteichoic acid (LTA) synthesis enzyme, “UgtP”, was turned off in anti-FASII-treated bacteria. Remarkably, after S. aureus adapts to anti-FASII, LTA was nearly non-detectable. This loss was observed regardless of the phospholipid FA composition. In view of LTA reported essentiality for S. aureus cell division and growth, we then questioned how S. aureus compensates LTA depletion. In contrast to LTA, wall teichoic acid (WTA) and cardiolipin (CL) pools increased in anti-FASII-adapted bacteria. This suggests that WTA and/ or CL might compensate LTA depletion and enable S. aureus to grow. Simultaneous removal of both TAs is reportedly lethal. Consequently, the LTA depletion observed in anti-FASII-adapted bacteria enabled us to demonstrate synergistic inhibition between anti-FASII and the WTA inhibitor, targocil, in S. aureus. Our work reveals that anti-FASII-adapted bacteria produce less virulence factors and are more oxidative stress-resistant. These findings reveal a link between oxidative stress and FA incorporation. They further suggest that an element of the FASII pathway exerts control on LTA synthesis. Altogether this work underlines the importance of membrane lipids in S. aureus pathogenesis and opens perspectives for designing bi-therapy treatments.