Etude du développement de la réponse humorale dirigée contre la capsule polysaccharidique de Streptococcus suis et Streptococcus du groupe B

Streptococcus suis et Streptococcus du groupe B (GBS) sont deux bactéries encapsulées qui induisent des pathologies similaires chez l’homme et/ou l’animal, incluant septicémies et méningites. La capsule polysaccharidique (CPS) est un facteur de virulence clé de ces deux pathogènes et les anticorps (Ac) anti-CPS présentent un bon potentiel protecteur. Néanmoins, ces molécules sont faiblement immunogéniques et les mécanismes de la génération de la réponse humorale anti-CPS demeurent méconnus. L’objectif principal de cette thèse était d’évaluer les caractéristiques et les mécanismes du développement de la réponse Ac dirigée spécifiquement contre les CPS de S. suis et GBS, ainsi que l’effet de la biochimie de la CPS dans cette réponse. Nous avons étudié S. suis types 2 et 14 et GBS types III et V, dont les CPS présentent plusieurs similarités dans leurs compositions et leurs structures, incluant la présence d’acide sialique, un sucre potentiellement immunosuppresseur, tout en possédant une antigénicité propre. Nous avons tout d’abord analysé la nature de la réponse Ac anti-CPS sérique face à la bactérie entière. Les souris infectées par S. suis développent une réponse très faible (S. suis type 2) voire insignifiante (S. suis type 14) de profil isotypique restreint à l’IgM et sont incapables de monter une réponse mémoire efficace face à une seconde infection. Un profil similaire est obtenu chez le porc infecté par S. suis type 2. On détecte des titres d’IgM anti-CPS significatifs chez les souris infectées par GBS (type III ou V). Toutefois, la magnitude de la réponse reste globalement faible et aucune commutation de classe n’est observée. Nous avons ensuite examiné l’influence de la biochimie de la CPS sur ces profils de réponse en conduisant des expériences avec la CPS hautement purifiée de ces pathogènes. Tandis que la CPS de GBS type III administrée aux souris conserve des propriétés immunogéniques similaires à celles observées durant l’infection par la bactérie intacte, les CPS de S. suis type 2 et GBS type V perdent toute capacité à induire une réponse Ac spécifique. L’analyse de l’interaction in vitro des CPS avec les cellules dendritiques (DC) murines, des acteurs clés dans la détection des pathogènes et l’orchestration des réponses immunitaires subséquentes, révèle que ces molécules stimulent la production de niveaux conséquents de chémokines via différents récepteurs. Néanmoins, les CPS sont inaptes à induire la sécrétion de cytokines et elles interfèrent avec la capacité des DC à exprimer BAFF, une cytokine clé dans la différenciation des lymphocytes B en plasmocytes. L’utilisation de CPS chimiquement désialylées démontre que l’acide sialique ne joue aucun rôle immunosuppresseur majeur dans le développement de la réponse Ac dirigée contre les CPS purifiées de S. suis ou GBS, ni sur l’interaction des CPS avec les DC in vitro, ni sur profil de la réponse in vivo. D’autres propriétés biochimiques intrinsèques à ces CPS seraient responsables de l’inaptitude de l’hôte infecté à monter une réponse Ac adéquate et les identifier constituera un outil précieux pour une meilleure compréhension de l’immunopathogénèse de S. suis et GBS ainsi que pour développer des moyens de lutte efficaces contre ces bactéries.

Role of CD4+ T cells in the regulation of the immune response against encapsulated Group B Streptococcus

Le Streptocoque de groupe B (GBS) est un important agent d’infection invasive pouvant mener à la mort et demeure la cause principale de septicémie néonatale à ce jour. Neuf sérotypes ont été officiellement décrits basés sur la composition de la capsule polysaccharidique (CPS). Parmi ces sérotypes, le type III est considéré le plus virulent et fréquemment associé aux maladies invasives graves, telle que la méningite. Malgré que plusieurs recherches aient été effectuées au niveau des interactions entre GBS type III et les cellules du système immunitaire innées, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire adaptative dirigée contre ce dernier. Notamment, le rôle de cellules T CD4+ dans l’immuno-pathogenèse de l’infection causée par GBS n’a jamais été étudié. Dans cet étude, trois différents modèles murins d’infection ont été développé pour évaluer l’activation et la modulation des cellules T CD4+ répondantes au GBS de type III : ex vivo, in vivo, et in vitro. Les résultats d’infections ex vivo démontrent que les splénocytes totaux répondent à l’infection en produisant des cytokines de type-1 pro-inflammatoires. Une forte production d’IL-10 accompagne cette cascade inflammatoire, probablement dans l’effort de l’hôte de maintenir l’homéostasie. Les résultats démontrent aussi que les cellules T sont activement recrutées par les cellules répondantes du système inné en produisant des facteurs chimiotactiques, tels que CXCL9, CXCL10, et CCL3. Plus spécifiquement, les résultats obtenus à partir des cellules isolées T CD4+ provenant des infections ex vivo ou in vivo démontrent que ces cellules participent à la production d’IFN-γ et de TNF-α ainsi que d’IL-2, suggérant un profil d’activation Th1. Les cellules isolées T CD4+ n’étaient pas des contributeurs majeurs d’IL-10. Ceci indique que cette cytokine immuno-régulatrice est principalement produite par les cellules de l’immunité innée de la rate de souris infectées. Le profil Th1 des cellules T CD4+ a été confirmé en utilisant un modèle in vitro. Nos résultats démontrent aussi que la CPS de GBS a une role immuno-modulateur dans le développement de la réponse Th1. En résumé, cette étude adresse pour la première fois, la contribution des cellules T CD4+ dans la production d’IFN-γ lors d’une infection à GBS et donc, dans le développement d’une réponse de type Th1. Ces résultats renforcent d’avantage le rôle central de cette cytokine pour un control efficace des infections causées par ce pathogène.

Rôle essentiel des cellules dendritiques dans l'immunité innée face a des streptocoques encapsulés

Streptococcus du Groupe B (GBS) et Streptococcus suis sont deux pathogènes encapsulés qui induisent des pathologies similaires dont la méningite et la septicémie chez les animaux et/ou les humains. Les sérotypes III et V du GBS et les sérotypes 2 et 14 du S. suis (utilisés dans cette étude) sont parmi les plus prévalents et/ou les plus virulents. La capsule polysaccharidique (CPS) définit le sérotype et est considérée comme un facteur de virulence essentiel pour les deux espèces bactériennes. Malgré que plusieurs études aient été réalisées au niveau des interactions entre ces streptocoques et les cellules de l’immunité innée, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire contre ces pathogènes par les cellules dendritiques (DCs) et leur interactions avec d’autres cellules, notamment les cellules ‘natural killer’ (NK). Dans cette étude, différentes approches (in vitro, ex vivo et in vivo) chez la souris ont été développées pour caractériser les interactions entre les DCs, les cellules NK et GBS ou S. suis. L’utilisation de mutants non encapsulés a permis d’évaluer l’importance de la CPS dans ces interactions. Les résultats in vitro avec les DCs infectées par GBS ou S. suis ont démontré que ces deux pathogènes interagissent différemment avec ces cellules. GBS est grandement internalisé par les DCs, et ce, via de multiples mécanismes impliquant notamment les radeaux lipidiques et la clathrine. Le mécanisme d’endocytose utilisé aurait un effet sur la capacité du GBS à survivre intracellulairement. Quant au S. suis, ce dernier est très faiblement internalisé et, si le cas, rapidement éliminé à l’intérieur des DCs. GBS et S. suis activent les DCs via différents récepteurs et favorisent la production de cytokines et chimiokines ainsi que l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation. Cette activation permet la production d’interferon-gamma (IFN-y) par les cellules NK. Cependant, GBS semble plus efficient à activer les DCs, et par conséquent, les cellules NK que S. suis. La production d’IFN-y, en réponse à la stimulation bactérienne, est principalement assurée par un contact direct entre les DCs et les cellules NK et ne dépend qu’en partie de facteurs solubles. De plus, nos résultats in vivo ont démontré que ces deux streptocoques induisent rapidement la libération d'IFN-y par les cellules NK lors de la phase aiguë de l'infection. Ceci suggère que les interactions entre les DCs et les cellules NK pourraient jouer un rôle dans le développement d’une réponse immune T auxiliaire de type 1 (T ‘helper’ 1 en anglais; Th1). Cependant, la capacité de S. suis à activer la réponse immunitaire in vivo est également plus faible que celle observée pour GBS. En effet, les CPSs de GBS et de S. suis jouent des rôles différents dans cette réponse. La CPS de S. suis empêche une activation optimale des DCs et des cellules NK alors que c’est l’opposé pour la CPS de GBS, indépendamment du sérotype évalué. En résumé, cette étude adresse pour la première fois la contribution des DCs et des cellules NK dans la réponse immunitaire innée lors d’une infection à GBS ou à S. suis et, par extension, dans le développement d’une réponse Th1. Nos résultats renforcent davantage le rôle central des DCs dans le contrôle efficace des infections causées par des bactéries encapsulées.

Rôle des cellules dendritiques dans la modulation de la réponse immunitaire de l'hôte contre Streptococcus suis

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et agent zoonotique responsable de méningites et de septicémies. À ce jour, les mécanismes impliqués dans la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis sont peu connus; et il en est de même pour les stratégies utilisées par S. suis afin de déjouer cette réponse. L’augmentation de l’incidence et de la sévérité des cas humains souligne le besoin d’une meilleure compréhension des interactions entre S. suis et le système immunitaire afin de générer une réponse immunitaire efficace contre ce pathogène. Les cellules dendritiques (DCs) sont de puissantes cellules présentatrices d’antigènes qui stimulent les lymphocytes T et B, assurant la liaison entre l’immunité innée et l’immunité adaptative. L’objectif principal de ce projet était d’évaluer le rôle joué par différents facteurs de virulence de S. suis sur la modulation de la fonction des DCs et de la réponse T-dépendante. Nous avons examiné l’effet des facteurs clés pour la virulence de S. suis, dont la capsule polysaccharidique (CPS), les modifications de la paroi cellulaire (D-alanylation de l’acide lipotéichoïque et N-déacétylation du peptidoglycane) et la toxine suilysine, sur l’activation et la maturation de DCs murines dérivées de la moelle osseuse (bmDCs). Suite à l’infection par S. suis, les bmDCs sont activées et subissent un processus de maturation caractérisé par l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation et la production de cytokines pro-inflammatoires. La CPS est le principal facteur interférant avec la production de cytokines, même si les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine peuvent également moduler la production de certaines cytokines. Enfin, la CPS, les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine interfèrent avec la déposition du complément à la surface des bactéries et, en conséquence, avec le « killing » dépendant du complément. Les résultats ont été confirmés à l’aide de bmDCs porcines. Nous avons aussi voulu identifier les récepteurs cellulaires impliqués dans la reconnaissance de S. suis par les DCs. Nous avons démontré que la production de cytokines et l’expression des molécules de co-stimulation par les DCs sont fortement dépendantes de la signalisation par MyD88, suggérant que les DCs reconnaissent S. suis et deviennent activées majoritairement via la signalisation par les récepteurs de type Toll (TLRs). En effet, on remarque une diminution de la production de plusieurs cytokines ainsi que de l’expression de certaines molécules de co-stimulation chez les DCs TLR2-/- ou TLR2-/- et TLR9-/- double négatives. Finalement, le récepteur NOD2 semblait jouer un rôle partiel dans l’activation des DCs suite à une infection par S. suis.Enfin, nous avons évalué les conséquences de la modulation des fonctions des DCs sur le développement de la réponse T-dépendante. Les splénocytes totaux produisent plusieurs cytokines en réponse à S. suis. Des analyses in vivo et ex vivo ont permis d’observer l’implication des cellules T CD4+ et le développement d’une réponse de type « T helper » 1 (TH1) bien que la quantité de cytokines TH1 produites lors de l’infection in vivo par S. suis demeure assez basse. La CPS de S. suis interfère avec la production de plusieurs cytokines par les cellules T in vitro. Expérimentalement, l’infection induite par S. suis résulte en de faibles niveaux de production d’anticorps anti-S. suis, mais aussi d’anticorps dirigés contre l’ovalbumine utilisée comme antigène rapporteur. Cette interférence est corrélée avec la sévérité des signes cliniques, suggérant que S. suis interfère avec le développement d’une réponse immunitaire adaptative appropriée qui serait requise pour contrôler la progression de l’infection. Les résultats de cette étude mèneront à une meilleure compréhension de la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.

Role of capsule and O antigen in the virulence of uropathogenic Escherichia coli

Urinary tract infection (UTI) is one of the most common bacterial infections in humans, with uropathogenic Escherichia coli (UPEC) the leading causative organism. UPEC has a number of virulence factors that enable it to overcome host defenses within the urinary tract and establish infection. The O antigen and the capsular polysaccharide are two such factors that provide a survival advantage to UPEC. Here we describe the application of the rpsL counter selection system to construct capsule (kpsD) and O antigen (waaL) mutants and complemented derivatives of three reference UPEC strains: CFT073 (O6:K2:H1), RS218 (O18:K1:H7) and 1177 (O1:K1:H7). We observed that while the O1, O6 and O18 antigens were required for survival in human serum, the role of the capsule was less clear and linked to O antigen type. In contrast, both the K1 and K2 capsular antigens provided a survival advantage to UPEC in whole blood. In the mouse urinary tract, mutation of the O6 antigen significantly attenuated CFT073 bladder colonization. Overall, this study contrasts the role of capsule and O antigen in three common UPEC serotypes using defined mutant and complemented strains. The combined mutagenesis-complementation strategy can be applied to study other virulence factors with complex functions both in vitro and in vivo.

Structure of the K2 capsule associated with the KL2 gene cluster of Acinetobacter baumannii

The repeat unit structure of the K2 capsule from an extensively antibiotic-resistant Acinetobacter baumannii global clone 2 (GC2) strain was determined. The oligosaccharide contains three simple sugars, d-glucopyranose, d-galatopyranose and N-acetyl-d-galactosamine, and the complex sugar, 5,7-diacetamido-3,5,7,9-tetradeoxy-l-glycero-l-manno-non-2-ulosonic acid (Pse5Ac7Ac or pseudaminic acid), which has not previously been reported in any A. baumannii capsule. The strain was found to carry all the genes required for the synthesis of the sugars and construction of the K2 structure. The linkages catalyzed by the initiating transferase, three glycosyltransferases and the Wzy polymerase were also predicted. Examination of publicly available A. baumannii genome sequences revealed that the same gene cluster, KL2, often occurs in extensively antibiotic-resistant GC2 isolates and in further strain types. The gene module responsible for the synthesis of pseudaminic acid was also detected in four other K loci. A related module including genes for an acylated relative of pseudaminic acid was also found in two new KL types. A polymerase chain reaction scheme was developed to detect all modules containing genes for sugars based on pseudaminic acid and to specifically detect KL2.

5,7-di-N-acetyl-acinetaminic acid: A novel non-2-ulosonic acid found in the capsule of an Acinetobacter baumannii isolate

An Acinetobacter baumannii global clone 1 (GC1) isolate was found to carry a novel capsule biosynthesis gene cluster, designated KL12. KL12 contains genes predicted to be involved in the synthesis of simple sugars, as well as ones for N-acetyl-l-fucosamine (l-FucpNAc) and N-acetyl-d-fucosamine (d-FucpNAc). It also contains a module of 10 genes, 6 of which are required for 5,7-di-N-acetyl-legionaminic acid synthesis. Analysis of the composition of the capsule revealed the presence of N-acetyl-d-galactosamine, l-FucpNAc and d-FucpNAc, confirming the role of fnlABC and fnr/gdr genes in the synthesis of l-FucpNAc and d-FucpNAc, respectively. A non-2-ulosonic acid, shown to be 5,7-diacetamido-3,5,7,9-tetradeoxy-l-glycero-l-altro-non-2-ulosonic acid, was also detected. This sugar has not previously been recovered from biological source, and was designated 5,7-di-N-acetyl-acinetaminic acid (Aci5Ac7Ac). Proteins encoded by novel genes, named aciABCD, were predicted to be involved in the conversion of 5,7-di-N-acetyl-legionaminic acid to Aci5Ac7Ac. A pathway for 5,7-di-N-acetyl-8-epilegionaminic acid biosynthesis was also proposed. In available A. baumannii genomes, genes for the synthesis of 5,7-di-N-acetyl-acinetaminic acid were only detected in two closely related capsule gene clusters, KL12 and KL13, which differ only in the wzy gene. KL12 and KL13 are carried by isolates belonging to clinically important clonal groups, GC1, GC2 and ST25. Genes for the synthesis of N-acyl derivatives of legionaminic acid were also found in 10 further A. baumannii capsule gene clusters, and three carried additional genes for production of 5,7-di-N-acetyl-8-epilegionaminic acid.

Structures of three different neutral polysaccharides of Acinetobacter baumannii, NIPH190, NIPH201, and NIPH615, assigned to K30, K45, and K48 capsule types, respectively, based on capsule biosynthesis gene clusters

Neutral capsular polysaccharides (CPSs) were isolated from Acinetobacter baumannii NIPH190, NIPH201, and NIPH615. The CPSs were found to contain common monosaccharides only and to be branched with a side-chain 1→3-linked β-d-glucopyranose residue. Structures of the oligosaccharide repeat units (K units) of the CPSs were elucidated by 1D and 2D 1H and 13C NMR spectroscopy. Novel CPS biosynthesis gene clusters, designated KL30, KL45, and KL48, were found at the K locus in the genome sequences of NIPH190, NIPH201, and NIPH615, respectively. The genetic content of each gene cluster correlated with the structure of the CPS unit established, and therefore, the capsular types of the strains studied were designated as K30, K45, and K48, respectively. The initiating sugar of each K unit was predicted, and glycosyltransferases encoded by each gene cluster were assigned to the formation of the linkages between sugars in the corresponding K unit.

Structure of the K12 capsule containing 5,7-di-N-acetylacinetaminic acid from Acinetobacter baumannii isolate D36

The repeat unit of the K12 capsular polysaccharide isolated from the Acinetobacter baumannii global clone 1 clinical isolate, D36, was elucidated by means of chemical and spectroscopical methods. The structure was shown to contain N-acetyl-D-galactosamine (D-GalpNAc), N-acetyl-D-fucosamine and N-acetyl-L-fucosamine linked together in the main chain, with the novel sugar, 5,7-diacetamido-3,5,7,9-tetradeoxy-L-glycero-L-altro-non-2-ulosonic acid (5,7-di-N-acetylacinetaminic acid or Aci5Ac7Ac), attached to D-GalpNAc as a side branch. This matched the sugar composition of the K12 capsule and the genetic content of the KL12 capsule gene cluster reported previously. D-FucpNAc was predicted to be the substrate for the initiating transferase, ItrB3, with the Wzy polymerase making a α-D-FucpNAc-(1 → 3)-D-GalpNAc linkage between the repeat units. The three glycosyltransferases encoded by KL12 are all retaining glycosyltransferases and were predicted to form specific linkages between the sugars in the K12 repeat unit.

A Salmonella Typhimurium-Typhi genomic chimera: a model to study Vi polysaccharide capsule function in vivo.

The Vi capsular polysaccharide is a virulence-associated factor expressed by Salmonella enterica serotype Typhi but absent from virtually all other Salmonella serotypes. In order to study this determinant in vivo, we characterised a Vi-positive S. Typhimurium (C5.507 Vi(+)), harbouring the Salmonella pathogenicity island (SPI)-7, which encodes the Vi locus. S. Typhimurium C5.507 Vi(+) colonised and persisted in mice at similar levels compared to the parent strain, S. Typhimurium C5. However, the innate immune response to infection with C5.507 Vi(+) and SGB1, an isogenic derivative not expressing Vi, differed markedly. Infection with C5.507 Vi(+) resulted in a significant reduction in cellular trafficking of innate immune cells, including PMN and NK cells, compared to SGB1 Vi(-) infected animals. C5.507 Vi(+) infection stimulated reduced numbers of TNF-α, MIP-2 and perforin producing cells compared to SGB1 Vi(-). The modulating effect associated with Vi was not observed in MyD88(-/-) and was reduced in TLR4(-/-) mice. The presence of the Vi capsule also correlated with induction of the anti-inflammatory cytokine IL-10 in vivo, a factor that impacted on chemotaxis and the activation of immune cells in vitro.