Identification des gènes de Escherichia coli entérohémorragique exprimés pendant l'infection de macrophages humains

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Interaction d'Escherichia coli entérohémorragique (EHEC) avec Acanthamoeba castellanii et rôle du régulon Pho chez les EHEC

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine).

A lack of predatory interaction between rumen ciliate protozoa and Shiga-toxin producing Escherichia coli

Aims: To investigate interactions between rumen protozoa and Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) and to ascertain whether it is likely that rumen protozoa act as ruminant hosts for STEC. Methods and Results: The presence of stx genes in different microbial fractions recovered from cattle and sheep rumen contents and faeces was examined using PCR. In animals shedding faecal STEC, stx genes were not detected in the rumen bacterial or rumen protozoal fractions. Direct interactions between ruminal protozoa and STEC were investigated by in vitro co-incubation. Rumen protozoa did not appear to ingest STEC, a STEC lysogen or non-STEC E. coli populations when co-incubated. Conclusions: The ruminal environment is unlikely to be a preferred habitat for STEC. Bacterial grazing by rumen protozoa appears to have little, if any, effect on STEC populations. Significance and Impact of the Study: This study indicates that ruminal protozoa are unlikely to be a major factor in the survival of STEC in ruminants. They appear as neither a host that protects STEC from the ruminal environment nor a predator that might reduce STEC numbers.

Étude d'un variant de la toxine STb produite par Escherichia coli

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage.

Rôle des facteurs physico-chimiques du micro-environnement intestinal et des boucles inter-hélicales du Domaine I dans l’activité de la toxine insecticide Cry9Ca du bacille de Thuringe

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe.

Importance de l'hélice a[alpha]4 et des boucles inter-hélicales du domaine I dans le mécanisme de formation de pores par la toxine Cry1Aa du bacille de Thuringe

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Caractérisation de l'effet des adjuvants CpG et toxine choléra sur la réponse immunitaire générée par le fimbriae F4 administré oralement chez le porc

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Propriétés électrophysiologiques des canaux ioniques formés par la toxine nématicide Cry5Ba du bacille de Thuringe dans les bicouches lipidiques planes

Les toxines Cry sont des protéines synthétisées sous forme de cristaux par la bactérie bacille de Thuringe pendant la sporulation. Elles sont largement utilisées comme agents de lutte biologique, car elles sont toxiques envers plusieurs espèces d’invertébrées, y compris les nématodes. Les toxines Cry5B sont actives contre certaines espèces de nématodes parasites, y compris Ankylostoma ceylanicum un parasite qui infeste le système gastro-intestinal des humains. Jusqu’au présent, le mode d’action des toxines Cry nématicides reste grandement inconnu, sauf que leurs récepteurs spécifiques sont des glycolipides et qu’elles causent des dommages importants aux cellules intestinales. Dans cette étude, on démontre pour la première fois que la toxine nématicide Cry5Ba, membre de la famille des toxines à trois domaines et produite par la bactérie bacille de Thuringe, forme des pores dans les bicouches lipidiques planes en absence de récepteurs. Les pores formés par cette toxine sont de sélectivité cationique, à pH acide ou alcalin. Les conductances des pores formés sous conditions symétriques de 150 mM de KCl varient entre 17 et 330 pS, à pH 6.0 et 9.0. Les niveaux des conductances les plus fréquemment observés diffèrent les uns des autres par environ 17 à 18 pS, ce qui est compatible avec l’existence d’arrangement d’un nombre différent de pores élémentaires similaires, activés de façon synchronisée, ou avec la présence d’oligomères de tailles variables et de différents diamètres de pores.

Mode d’action moléculaire de la toxine anti-tumorale : PS1Aa2 du bacille de Thuringe

Les parasporines sont des toxines Cry du bacille de Thuringe actives contre des cellules tumorales. Ce travail montre que la parasporine PS1Aa2 (Cry31Aa2) forme des pores dans des membranes artificielles, comme de nombreuses toxines Cry. Ceux-ci ont plusieurs niveaux de conductance dont les plus fréquents étaient de 11, 16 et 21 pS dans une solution de 150 mM KCl. Nos résultats de microspectrofluorométrie avec la sonde Fura-2 montrent que la présence de la PS1Aa2 peut produire des augmentations du calcium intracellulaire, la plupart du temps sous la forme d’oscillations calciques et parfois des augmentations soutenues. Ces réponses ont été observées en présence et en absence de calcium extracellulaire, dans les lignées tumorales HeLa et HepG2 et dans la lignée non tumorale HEK 293. Bien que quelques études aient montré que le calcium semble intervenir dans leur mode d’action, de telles oscillations calciques n’ont jamais été décrites auparavant pour des toxines Cry. Les expériences ont dû être faites à des concentrations beaucoup plus élevées de toxine que prévues sur la base des résultats publiés de cytotoxicité. Malgré la présence des fragments identifiés auparavant comme actifs, sa faible efficacité semble liée à la présence d’ADN dans les préparations qui entraîne la précipitation de la protéine. Les travaux futurs sur cette toxine seraient donc grandement facilités par une amélioration de sa méthode de préparation.

Pectins and pectic-oligosaccharides inhibit Escherichia coli O157 : H7 Shiga toxin as directed towards the human colonic cell line HT29

Pectins and pectic-oligosaccharides, as derived by controlled enzymatic hydrolysis, were evaluated for their ability to interfere with the toxicity of Shiga-like toxins from Escherichia coli O157:H7. Both types of material resulted in some degree of protection but this was significantly higher (P > 0.01) with the oligosaccharide fractions (giving 90-100% cell survival, compared to 70-80% with the polymer). An effect of methylation on the protective effect was detected with lower degrees being more active. The pectic-oligosaccharides and galabiose, the minimum toxin receptor analogue, were shown to inhibit toxicity and were both protective at 10 mg ml(-1), but not at lower concentrations. (C) 2002 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Development and validation of a qPCR-based method for quantifying Shiga toxin-encoding and other lambdoid bacteriophages

P>To address whether seasonal variability exists among Shiga toxin-encoding bacteriophage (Stx phage) numbers on a cattle farm, conventional plaque assay was performed on water samples collected over a 17 month period. Distinct seasonal variation in bacteriophage numbers was evident, peaking between June and August. Removal of cattle from the pasture precipitated a reduction in bacteriophage numbers, and during the winter months, no bacteriophage infecting Escherichia coli were detected, a surprising occurrence considering that 1031 tailed-bacteriophages are estimated to populate the globe. To address this discrepancy a culture-independent method based on quantitative PCR was developed. Primers targeting the Q gene and stx genes were designed that accurately and discriminately quantified artificial mixed lambdoid bacteriophage populations. Application of these primer sets to water samples possessing no detectable phages by plaque assay, demonstrated that the number of lambdoid bacteriophage ranged from 4.7 x 104 to 6.5 x 106 ml-1, with one in 103 free lambdoid bacteriophages carrying a Shiga toxin operon (stx). Specific molecular biological tools and discriminatory gene targets have enabled virus populations in the natural environment to be enumerated and similar strategies could replace existing propagation-dependent techniques, which grossly underestimate the abundance of viral entities.

The role of type 1 and curli fimbriae of Shiga toxin-producing Escherichia coli in adherence to abiotic surfaces

Biofilm formation on abiotic surfaces may provide a source of microbial contamination and may also enhance microbial environmental survival. The role of fimbrial expression by Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) in biofilm formation is poorly understood. This study aimed to investigate the role of STEC type 1 and curli fimbriae in adhesion to and biofilm formation on abiotic surfaces. None of 13 O157:H7 isolates expressed either fimbrial type whereas 11 of 13 and 5 of 13 non-O157 STEC elaborated type 1 fimbriae and curli fimbriae, respectively. Mutants made by allelic exchange of a diarrhoeal non-O157 STEC isolate, O128:H2 (E41509), unable to elaborate type 1 and curli fimbriae were made for adherence and biofilm assays. Elaboration of type 1 fimbriae was necessary for the adhesion to abiotic surfaces whereas curliation was associated with both adherence and subsequent biofilm formation. STEC O157:H7 adhered to thermanox and glass but poorly to polystyrene. Additionally, STEC O157:H7 failed to form biofilms. These data indicate that certain STEC isolates are able to form biofilms and that the elaboration of curli fimbriae may enhance biofilm formation leading to possible long-term survival and a potential source of human infection.

Interaction with avian cells and colonisation of specific pathogen free chicks by Shiga-toxin negative Escherichia coli O157:H7 (NCTC 12900)

The prevalence of Escherichia coli O157:H7 infection in birds is low but several deliberate inoculation studies show that poultry are readily and persistently infected by this organism indicating a possible threat to public health. The mechanisms of colonisation of poultry are not understood and the aim is to establish models to study the interaction of E. coli O157:H7, at the cellular and whole animal levels. A non-toxigenic E. coli O157:H7 (NCTC 12900) was used in adherence assays with an avian epithelial cell line (Div-1) and used to inoculate 1-day-old SPF chicks. In vitro, NCTC 12900 induced micro-colonies associated with cytoskeletal arrangements and pedestal formation with intimate bacterial attachment. In the 1-day-old SPF chick, a dose of 1 x 10(5) cfu resulted in rapid and extensive colonisation of the gastrointestinal tract and transient colonisation of the liver and spleen. The number of E. coli O157:H7 organisms attained approximately 10(8) cfu/ml caecal homogenate 24 h after inoculation and approximately 10(7) cfu/ml caecal homogenate was still present at day 92. Faecal shedding persisted for 169 days, ceasing 9 days after the birds came into lay and 6% of eggs were contaminated on the eggshell. Histological analysis of tissue samples from birds dosed with 1 x 10(7) cfu gave evidence for E coli O157:H7 NCTC 12900 induced micro-colonies on the caecal mucosa, although evidence for attaching effacing lesions was equivocal. These models may be suitable to study those factors of E. coli O157:H7 that mediate persistent colonisation in avian species.