A simple, robust and rapid approach to detect carbapenemases in Gram-negative isolates by MALDI-TOF mass spectrometry: validation with triple quadripole tandem mass spectrometry, microarray and PCR.

Carbapenemases should be accurately and rapidly detected, given their possible epidemiological spread and their impact on treatment options. Here, we developed a simple, easy and rapid matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (MALDI-TOF)-based assay to detect carbapenemases and compared this innovative test with four other diagnostic approaches on 47 clinical isolates. Tandem mass spectrometry (MS-MS) was also used to determine accurately the amount of antibiotic present in the supernatant after 1 h of incubation and both MALDI-TOF and MS-MS approaches exhibited a 100% sensitivity and a 100% specificity. By comparison, molecular genetic techniques (Check-MDR Carba PCR and Check-MDR CT103 microarray) showed a 90.5% sensitivity and a 100% specificity, as two strains of Aeromonas were not detected because their chromosomal carbapenemase is not targeted by probes used in both kits. Altogether, this innovative MALDI-TOF-based approach that uses a stable 10-μg disk of ertapenem was highly efficient in detecting carbapenemase, with a sensitivity higher than that of PCR and microarray.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Protection from lethal Gram-negative bacterial sepsis by targeting Toll-like receptor 4

Rapport de synthèse : L'immunité innée regroupe les mécanismes moléculaires et cellulaires formant la première ligne de défense contre les infections microbiennes. La détection des micro-organismes pathogènes est assurée par des cellules sentinelles (cellules dendritiques et macrophages) qui jouent un rôle fondamental dans l'initiation des mécanismes de défense de l'hôte. Au contact de produits microbiens, ces cellules produisent un large échantillonnage de molécules, dont des cytokines, impliquées dans le développement de la réponse inflammatoire. La régulation de cette réponse relève d'un équilibre délicat, son insuffisance tant que son excès pouvant compromettre le devenir des patients infectés. La sepsis sévère et le choc septique représentent les formes les plus sévères d'infection, et leur mortalité demeure élevée (25 à 30% pour la sepsis sévère et 50 à 60% pour le choc septique). De plus, l'incidence de la sepsis tend à augmenter, atteignant en 2000 plus de 240 cas pour 100'000 personnes en Grande-Bretagne. La sepsis est caractérisée dans sa phase aiguë par une réponse inflammatoire exubérante. La plupart des thérapies visant à la bloquer ont toutefois montré des bénéfices incertains lors de leur application clinique. Il est donc impératif d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Les "Toll-like receptors" (TLRs) sont une famille de récepteurs qui jouent un rôle fondamental dans la détection des micro-organismes par les cellules du système immunitaire inné. Parmi eux, TLR4 est indispensable à la reconnaissance du lipopolysaccharide (LPS) des bactéries Gram-négatives. L'interaction entre TLR4 et le LPS représentant un élément précoce de la réponse de l'hôte à l'infection, nous avons émit l'hypothèse que TLR4 pourrait représenter une cible de choix en vue du développement de nouvelles thérapies contre la sepsis. Dans l'objectif de valider ce concept, nous avons, dans un premier temps, démontré que des souris génétiquement déficientes en TLR4 étaient totalement résistantes au choc septique induit par Escherichia coli (E. coli), une bactérie Gram-négative fréquemment responsable de sepsis. Forts de cette observation, nous avons développé une molécule recombinante composée du domaine extracellulaire de TLR4 fusionné à la partie IgGi-Fc. Cette molécule soluble, qui inhibait la réponse des macrophages au LPS in vitro, a été utilisée pour générer des anticorps anti-TLR4 chez le lapin. La spécificité et l'efficacité de ces anticorps ont été prouvées en démontrant que les anti-TLR4 bloquaient les signaux d'activation intracellulaire et la production de TNF et d'IL-6 en réponse au LPS et aux bactéries Gram-négatives in vitro et in vivo. Enfin, l'efficacité des ces anticorps a été testée dans des modèles de sepsis chez la souris. Ainsi, l'injection prophylactique (-lh) ou thérapeutique (+3h) d'anticorps anti-TLR4 réduisait la production de TNF et protégeait les animaux de la mort. De manière spectaculaire, ces anticorps réduisaient également la production de TNF et protégeaient de la sepsis à E. coli lorsqu'ils étaient administrés de manière prophylactique (-4h) et thérapeutique, jusqu'à 13 heures après l'initiation de l'infection. Ces résultats indiquent donc qu'il est possible de bloquer le développement de la réponse inflammatoire et de protéger du choc septique à bactéries Gram-négatives en utilisant des thérapies ciblant TLR4. Par ailleurs, ils suggèrent qu'une fenêtre d'opportunité de plusieurs heures pourrait être mise à profit pour initier un traitement chez les patients septiques. Ces résultats devraient encourager la poursuite des essais cliniques en cours qui visent à tester l'efficacité de thérapies dirigées contre TLR4 comme traitement complémentaire de la sepsis.

Efficacy and safety of a phospholipid emulsion (GR270773) in Gram-negative severe sepsis: results of a phase II multicenter, randomized, placebo-controlled, dose-finding clinical trial.

OBJECTIVE: To assess the survival benefit and safety profile of low-dose (850 mg/kg) and high-dose (1350 mg/kg) phospholipid emulsion vs. placebo administered as a continuous 3-day infusion in patients with confirmed or suspected Gram-negative severe sepsis. Preclinical and ex vivo studies show that lipoproteins bind and neutralize endotoxin, and experimental animal studies demonstrate protection from septic death when lipoproteins are administered. Endotoxin neutralization correlates with the amount of phospholipid in the lipoprotein particles. DESIGN: A three-arm, randomized, blinded, placebo-controlled trial. SETTING: Conducted at 235 centers worldwide between September 2004 and April 2006. PATIENTS: A total of 1379 patients participated in the study, 598 patients received low-dose phospholipid emulsion, and 599 patients received placebo. The high-dose phospholipid emulsion arm was stopped, on the recommendation of the Independent Data Monitoring Committee, due to an increase in life-threatening serious adverse events at the fourth interim analysis and included 182 patients. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: A 28-day all-cause mortality and new-onset organ failure. There was no significant treatment benefit for low- or high-dose phospholipid emulsion vs. placebo for 28-day all-cause mortality, with rates of 25.8% (p = .329), 31.3% (p = .879), and 26.9%, respectively. The rate of new-onset organ failure was not statistically different among groups at 26.3%, 31.3%, 20.4% with low- and high-dose phospholipid emulsion, and placebo, respectively (one-sided p = .992, low vs. placebo; p = .999, high vs. placebo). Of the subjects treated, 45% had microbiologically confirmed Gram-negative infections. Maximal changes in mean hemoglobin levels were reached on day 10 (-1.04 g/dL) and day 5 (-1.36 g/dL) with low- and high-dose phospholipid emulsion, respectively, and on day 14 (-0.82 g/dL) with placebo. CONCLUSIONS: Treatment with phospholipid emulsion did not reduce 28-day all-cause mortality, or reduce the onset of new organ failure in patients with suspected or confirmed Gram-negative severe sepsis.

Targeted therapy against multi-resistant bacteria in leukemic and hematopoietic stem cell transplant recipients: guidelines of the 4th European Conference on Infections in Leukemia (ECIL-4, 2011).

The detection of multi-resistant bacterial pathogens, particularly those to carbapenemases, in leukemic and stem cell transplant patients forces the use of old or non-conventional agents as the only remaining treatment options. These include colistin/polymyxin B, tigecycline, fosfomycin and various anti-gram-positive agents. Data on the use of these agents in leukemic patients are scanty, with only linezolid subjected to formal trials. The Expert Group of the 4(th) European Conference on Infections in Leukemia has developed guidelines for their use in these patient populations. Targeted therapy should be based on (i) in vitro susceptibility data, (ii) knowledge of the best treatment option against the particular species or phenotype of bacteria, (iii) pharmacokinetic/pharmacodynamic data, and (iv) careful assessment of the risk-benefit balance. For infections due to resistant Gram-negative bacteria, these agents should be preferably used in combination with other agents that remain active in vitro, because of suboptimal efficacy (e.g., tigecycline) and the risk of emergent resistance (e.g., fosfomycin). The paucity of new antibacterial drugs in the near future should lead us to limit the use of these drugs to situations where no alternative exists.

Influence of seasons and sampling strategy on assessment of bioaerosols in sewage treatment plants in Switzerland

An assessment of sewage workers' exposure to airborne cultivable bacteria, fungi and inhaled endotoxins was performed at 11 sewage treatment plants. We sampled the enclosed and unenclosed treatment areas in each plant and evaluated the influence of seasons (summer and winter) on bioaerosol levels. We also measured personal exposure to endotoxins of workers during special operation where a higher risk of bioaerosol inhalation was assumed. Results show that only fungi are present in significantly higher concentrations in summer than in winter (2331 +/- 858 versus 329 +/- 95 CFU m(-3)). We also found that there are significantly more bacteria in the enclosed area, near the particle grids for incoming water, than in the unenclosed area near the aeration basins (9455 +/- 2661 versus 2435 +/- 985 CFU m(-3) in summer and 11 081 +/- 2299 versus 2002 +/- 839 CFU m(-3) in winter). All bioaerosols were frequently above the recommended values of occupational exposure. Workers carrying out special tasks such as cleaning tanks were exposed to very high levels of endotoxins (up to 500 EU m(-3)) compared to routine work. The species composition and concentration of airborne Gram-negative bacteria were also studied. A broad spectrum of different species within the Pseudomonadaceae and the Enterobacteriaceae families were predominant in nearly all plants investigated. [Authors]

Monoclonal antibodies to murine lipopolysaccharide (LPS)-binding protein (LBP) protect mice from lethal endotoxemia by blocking either the binding of LPS to LBP or the presentation of LPS/LBP complexes to CD14.

Cellular responses to LPS, the major lipid component of the outer membrane of Gram-negative bacteria, are enhanced markedly by the LPS-binding protein (LBP), a plasma protein that transfers LPS to the cell surface CD14 present on cells of the myeloid lineage. LBP has been shown previously to potentiate the host response to LPS. However, experiments performed in mice with a disruption of the LBP gene have yielded discordant results. Whereas one study showed that LBP knockout mice were resistant to endotoxemia, another study did not confirm an important role for LBP in the response of mice challenged in vivo with low doses of LPS. Consequently, we generated rat mAbs to murine LBP to investigate further the contribution of LBP in experimental endotoxemia. Three classes of mAbs were obtained. Class 1 mAbs blocked the binding of LPS to LBP; class 2 mAbs blocked the binding of LPS/LBP complexes to CD14; class 3 mAbs bound LBP but did not suppress LBP activity. In vivo, class 1 and class 2 mAbs suppressed LPS-induced TNF production and protected mice from lethal endotoxemia. These results show that the neutralization of LBP accomplished by blocking either the binding of LPS to LBP or the binding of LPS/LBP complexes to CD14 protects the host from LPS-induced toxicity, confirming that LBP is a critical component of innate immunity.

Macrophage migration inhibitory factor and host innate immune defenses against bacterial sepsis.

Macrophages are essential effector cells of innate immunity that play a pivotal role in the recognition and elimination of invasive microorganisms. Mediators released by activated macrophages orchestrate innate and adaptive immune host responses. The cytokine macrophage migration inhibitory factor (MIF) is an integral mediator of the innate immune system. Monocytes and macrophages constitutively express large amounts of MIF, which is rapidly released after exposure to bacterial toxins and cytokines. MIF exerts potent proinflammatory activities and is an important cytokine of septic shock. Recent investigations of the mechanisms by which MIF regulates innate immune responses to endotoxin and gram-negative bacteria indicate that MIF acts by modulating the expression of Toll-like receptor 4, the signal-transducing molecule of the lipopolysaccharide receptor complex. Given its role in innate immune responses to bacterial infections, MIF is a novel target for therapeutic intervention in patients with septic shock.

An infrared reflection-absorption spectroscopic (IRRAS) study of the interaction of lipid A and lipopolysaccharide Re with endotoxin-binding proteins.

Lipopolysaccharides (LPS, endotoxins) are main constituents of the outer membranes of Gram-negative bacteria, with the 'endotoxic principle' lipid A anchoring LPS into the membrane. When LPS is removed from the bacteria by the action of the immune system or simply by cell dividing, it may interact strongly with immunocompetent cells such as mononuclear cells. This interaction may lead, depending on the LPS concentration, to beneficial (at low) or pathophysiological (at high concentrations) reactions, the latter frequently causing the septic shock syndrome. There is a variety of endogenous LPS-binding proteins. To this class belong lactoferrin (LF) and hemoglobin (Hb), which have been shown to suppress and enhance the LPS-induced cytokine secretion in mononuclear cells, respectively. To elucidate the interaction mechanisms of endotoxins with these proteins, we have investigated in an infrared reflection-absorption spectroscopy (IRRAS) study the interaction of LPS or lipid A monolayers at the air/water interface with LF and Hb proteins, injected into the aqueous subphase. The data are clearly indicative of completely different interaction mechanisms of the endotoxins with the proteins, with the LF acting only at the LPS backbone, whereas Hb incorporates into the lipid monolayer. These data allow an understanding of the different reactivities in the biomedicinal systems.

Identification of small RNAs in Pseudomonas species

Summary: Bacterial small RNAs (sRNAs) are transcripts most of which have regulatory functions. Sequence and secondary structure elements enable numerous sRNAs to interact with mRNAs or with regulatory proteins resulting in diverse regulatory effects on virulence, iron storage, organization of cell envelope proteins or stress response. sRNAs having high affinity for RsmA-like RNA-binding proteins are important for posttranscriptional regulation in various Gram-negative bacteria. In Pseudomonas spp., the GacS/GacA two component system positively controls the production of such sRNAs. They titrate RsmA-like proteins and thus overcome translational repression due to these proteins. As a consequence, secondary metabolites can be produced that are implicated in the biocontrol capacity of P. fluorescens or in the virulence of P. aeruginosa. A genome-wide search carried out in P. aeruginosa PAO1 and in closely related Pseudomonas spp. resulted in the identification of 15 genes coding for sRNAs. Eight of these are novel, the remaining seven have previously been observed. Among them, the 1698 sRNA gene was expressed under GacA control, whereas the transcription of 1887 sRNA gene was transcribed under the control of the anaerobic regulator Anr in an oxygen-limited environment. Overexpression of 1698 sRNA in P. fluorescens strain CHAO did not affect the expression of the GacA-regulated hcnA gene (first gene of the operon coding for HCN synthase), indicating that 1698 sRNA is probably not part of the secondary metabolite regulation pathway. The expression of 1698 sRNA was positively regulated by RpoS in both P. aeruginosa PAO 1 and P. ,fluorescens CHAO and appeared to be modulated temporarily by oxidative stress conditions. However, the effect of 1698 sRNA on oxidative stress survival has not yet been established. Hfq protein interacted with 1698 sRNA in vitro and improved 1698 sRNA expression in vivo in P. aeruginosa. In P. fluorescens, GacA and Hfq were both required for expression of rpoS and GacA showed a positively control on the hfq expression; therefore, at least in this organism, GacA control of 1698 sRNA expression may act indirectly via Hfq and RpoS. Different methods were employed to find abase-pairing target for 1698 sRNA. In a proteomic analysis carried out in P. aeruginosa, positive regulation by 1698 sRNA was observed for Soda, the iron-associated superoxide dismutase, an enzyme involved in oxidative stress resistance. A sequence complementary with 1698 sRNA was predicted to be located in the 5' leader of soda mRNA. However, base-pairing between soda mRNA and 1698 sRNA remains to be proven. In conclusion, this work has revealed eight novel sRNAs and novel functions of two sRNAs in Pseudomonas spp. Résumé Les petits ARNs non-codants (sRNAs) produits par les bactéries sont des transcrits ayant pour la plupart des activités régulatrices importantes. Leurs séquences nucléotidiques ainsi que leurs structures secondaires permettent aux sRNAs d'interagir soit avec des RNA messagers (mRNAs), de sorte à modifier l'expression des protéines pour lesquelles ils codent, soit avec des protéines régulatrices liant des rnRNAs, ce qui a pour effet de modifier l'expression de ces mRNAs. Des sRNAs sont impliqués dans diverses voies de régulation, telles que celles qui régissent la virulence, le stockage du fer, l'organisation des protéines de l'enveloppe bactérienne ou la réponse au stress. Chez les Pseudomonas spp., le système à deux composantes GacS/GacA contrôle la production de métabolites secondaires. Ceux-ci sont engagés dans l'établissement du biocontrôle, chez P. fluorescens, ou. de la virulence, chez P. aeruginosa. La régulation génique dirigée par le système GacS/GacA fait intervenir les sRNAs du type RsmZ, capables de contrecarrer l'action au niveau traductionnel exercée par les protéines régulatrices du type RsmA. Une recherche au niveau du génome a été menée chez P. aeruginosa PAO1 de même que chez des espèces qui lui sont étroitement apparentées, débouchant sur la mise en évidence de 15 gènes codant pour des sRNAs. Parmi ceux-ci, huit ont été découverts pour la première fois et sept confirment des travaux publiés. L'expression du gène du sRNAs 1698 s'avère être régulée par GacA, vraisemblablement de manière indirecte. La transcription du gène du sRNA 1887 montre une dépendance envers Anr, régulateur de l'anaérobiose, et envers une carence en oxygène. La surexpression du sRNA 1698 chez P. fluorescens CHAO n'affecte pas l'expression de hcnA, un gène du régulon GacA, laissant supposer que le sRNA n'intervient pas dans la régulation des métabolites secondaires. Chez P. aeruginosa PAOI et chez P. fluorescens CHAO, RpoS, le facteur sigma du stress, est nécessaire à l'expression du sRNA 1698, et la concentration de ce dernier est modulée par des conditions de stress oxydatif. Toutefois, un effet du sRNA 1698 quant à la survie suite au stress oxydatif n'a pas été établi. Par ailleurs, l'interaction entre le sRNA 1698 et Hfq, la protéine chaperone de RNAs, in vitro ainsi qu'un rôle positif de Hfq pour l'expression du sRNA 1698 in vivo ont été démontrés chez P. aeruginosa. L'induction de l'expression par GacA de rpoS et de hfq a été confirmée chez P. fluorescens CHAO, suggérant que la régulation par GacA du sRNA 1698 pourrait se faire par l'intermédiaire de RpoS et Hfq. Diverses méthodes ont été employées pour identifier un transcrit qui puisse être apparié par le sRNA 1698. Une analyse de protéome chez P. aeruginosa montre que l'expression de Soda, la superoxyde dismutase associée au fer, est positivement régulée par le sRNA 1698. Soda est une enzyme impliquée dans la résistance au stress oxydatif. Une séquence de complémentarité avec le sRNA 1698 a bien été prédite sur le leader 5' du mRNA de soda. Cependant, l'appariement entre le sRNA et son transcrit cible est encore à prouver. En conclusion, ce travail a dévoilé huit nouveaux sRNAs et de nouvelles fonctions pour deux sRNAs chez les Pseudomonas.

Biophysical characterization of the interaction of endotoxins with hemoglobins.

Bacterial endotoxin (lipopolysaccharide, LPS) is the major component of the outer leaflet of the outer membrane in gram-negative bacteria. During severe infections, bacteria may reach the blood circuit of humans, and endotoxins may be released from the bacteria due to cell division or cell death. In particular enterobacterial forms of LPS represent extremely strong activator molecules of the human immune system causing a rapid induction of cytokine production in monocytes and macrophages. Various mammalian blood proteins have been documented to display LPS binding activities mediating normally decreasing effects in the biological activity of LPS. In more recent studies, the essential systemic oxygen transportation protein hemoglobin (Hb) has been shown to amplify LPS-induced cytokine production on immune cells. The mechanism responsible for this effect is poorly understood. Here, we characterize the interaction of hemoglobin with LPS by using biophysical methods. The data presented, revealing the changes of the type and size of supramolecular aggregates of LPS in the presence of Hb, allow a better understanding of the hemoglobin-induced increase in bioactivity of LPS.

Bacterial flagellin elicits innate immune defenses and cardiac dysfunction in vivo

Résumé Les agents pathogènes responsables d'infection entraînent chez l'hôte deux types de réponses immunes, la première, non spécifique, dite immunité innée, la seconde, spécifique à l'agent concerné, dite immunité adaptative. L'immunité innée, qui représente la première ligne de défense contre les pathogènes, est liée à la reconnaissance par les cellules de l'hôte de structures moléculaires propres aux micro-organismes (« Pathogen-Associated Molecular Patterns », PAMPs), grâce à des récepteurs membranaires et cytoplasmiques (« Pattern Recognition Receptors », PRRs) identifiant de manière spécifique ces motifs moléculaires. Les récepteurs membranaires impliqués dans ce processus sont dénommés toll-like récepteurs, ou TLRS. Lorsqu'ils sont activés par leur ligand spécifique, ces récepteurs activent des voies de signalisation intracellulaires initiant la réponse inflammatoire non spécifique et visant à éradiquer l'agent pathogène. Les deux voies de signalisation impliquées dans ce processus sont la voie des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs) et celle du « Nuclear Factor kappaB » (NF-κB), dont l'activation entraîne in fine l'expression de protéines de l'inflammation dénommées cytokines, ainsi que certaines enzymes produisant divers autres médiateurs inflammatoires. Dans certaines situations, cette réponse immune peut être amplifiée de manière inadéquate, entraînant chez l'hôte une réaction inflammatoire systémique exagérée, appelée sepsis. Le sepsis peut se compliquer de dysfonctions d'organes multiples (sepsis sévère), et dans sa forme la plus grave, d'un collapsus cardiovasculaire, définissant le choc septique. La défaillance circulatoire du choc septique touche les vaisseaux sanguins d'une part, le coeur d'autre part, réalisant un tableau de «dysfonction cardiaque septique », dont on connaît mal les mécanismes pathogéniques. Les bactéries à Gram négatif peuvent déclencher de tels phénomènes, notamment en libérant de l'endotoxine, qui active les voies de l'immunité innée par son interaction avec un toll récepteur, le TLR4. Outre l'endotoxine, la plupart des bactéries à Gram négatif relâchent également dans leur environnement une protéine, la flagelline, qui est le constituant majeur du flagelle bactérien, organelle assurant la mobilité de ces micro-organismes. Des données récentes ont indiqué que la flagelline active, dans certaines cellules, les voies de l'immunité innée en se liant au récepteur TLRS. On ne connaît toutefois pas les conséquences de l'interaction flagelline-TLRS sur le développement de l'inflammation et des dysfonctions d'organes au cours du sepsis. Nous avons par conséquent élaboré le présent travail en formulant l'hypothèse que la flagelline pourrait déclencher une telle inflammation et représenter ainsi un médiateur potentiel de la dysfonction d'organes au cours du sepsis à Gram négatif, en nous intéressant plus particulièrement àl'inflammation et à la dysfonction cardiaque. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, et sur l'expression de cytokines inflammatoires au niveau du myocarde in vitro (cardiomyocytes en culture) et in vivo (injection de flagelline recombinante à des souris). Nous avons observé tout d'abord que le récepteur TLRS est fortement exprimé au niveau du myocarde. Nous avons ensuite démontré que la flagelline active la voie du NF-κB et des MAP kinases (p38 et JNK), stimule la production de cytokines et de chemokines inflammatoires in vitro et in vivo, et entraîne l'activation de polynucléaires neutrophiles dans le tissu cardiaque in vivo. Finalement, au plan fonctionnel, nous avons pu montrer que la flagelline entraîne une dilatation et une réduction aiguë de la contractilité du ventricule gauche chez la souris, reproduisant les caractéristiques de la dysfonction cardiaque septique. Dans la deuxième partie, nous avons déterminé la distribution du récepteur TLRS dans les autres organes majeurs de la souris (poumon, foie, intestin et rein}, et avons caractérisé dans ces organes l'effet de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, l'expression de cytokines, et l'induction de l'apoptose. Nous avons démontré que le TLRS est exprimé de façon constitutive dans ces organes, et que l'injection de flagelline y déclenche les cascades de l'immunité innée et de processus apoptotiques. Finalement, nous avons également déterminé que la flagelline entraîne une augmentation significative de multiples cytokines dans le plasma une à six heures après son injection. En résumé, nos données démontrent que la flagelline bactérienne (a) entraîne une inflammation et une dysfonction importantes du myocarde et (b) active de manière très significative les mécanismes d'immunité innée dans les principaux organes et entraîne une réponse inflammatoire systémique. Par conséquent, la flagelline peut représenter un médiateur puissant de l'inflammation et de la dysfonction d'organes, notamment du coeur, au cours du choc septique déclenché par les bactéries à Gram négatif. Summary Pathogenic microorganisms trigger two kinds of immune responses in the host. The first one is immediate and non-specific and is termed innate immunity, whereas the second one, specifically targeted at the invading agent, is termed adaptative immunity. Innate immunity, which represents the first line of defense against invading pathogens, confers the host the ability to recognize molecular structures common to many microbial pathogens, ("Pathogen-Associated Molecular Patterns", PAMPs), through cytosolic or membrane-associated receptors ("Pattern Recognition Receptors", PRRs), the latter being represented by a family of receptors termed "toll-like receptors or TLRs". Once activated by the binding of their specific ligand, these receptors activate intracellular signaling pathways, which initiate the non-specific inflammatory response aimed at eradicating the pathogens. The two pathways implicated in this process are the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling pathways, whose activation elicit in fine the expression of inflammatory proteins termed cytokines, as well as various enzymes producing a wealth of additional inflammatory mediators. In some circumstances, the innate immune response can become amplified and dysregulated, triggering an overwhelming systemic inflammatory response in the host, identified as sepsis. Sepsis can be associated with multiple organ dysfunction (severe sepsis), and in its most severe form, with cardiovascular collapse, defming septic shock. The cardiovascular failure associated with septic shock affects blood vessels as well as the heart, resulting in a particular form of acute heart failure termed "septic cardiac dysfunction ", whose pathogenic mechanisms remain partly undefined. Gram-negative bacteria can initiate such phenomena, notably by releasing lipopolysaccharide (LPS), which activates innate immune signaling by interacting with its specific toll receptor, the TLR4. Besides LPS, most Gram-negative bacteria also release flagellin into their environment, which is the main structural protein of the bacterial flagellum, an appendage extending from the outer bacterial membrane, responsible for the motility of the microorganism. Recent data indicated that flagellin activate immune responses upon binding to its receptor, TLRS, in various cell types. However, the role of flagellin/TLRS interaction in the development of inflammation and organ dysfunction during sepsis is not known. Therefore, we designed the present work to address the hypothesis that flagellin might trigger such inflammatory responses and thus represent a potential mediator of organ dysfunction during Gram-negative sepsis, with a particular emphasis on cardiac inflammation and contractile dysfunction. In the first part of this work, we investigated the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation and the generation of pro-inflammatory mediators within the heart in vitro (cultured cardiomyocytes) and in vivo (injection of recombinant flagellin into mice). We first observed that TLRS protein is strongly expressed by the myocardium. We then demonstrated that flagellin activates NF-κB and MAP kinases (p38 and JNK), upregulates the transcription of pro-inflammatory cytokines and chemokines in vitro and in vivo, and stimulates the activation of polymorphonuclear neutrophils within the heart in vivo. Finally, we demonstrated that flagellin triggers acute cardiac dilation, and a significant reduction of left ventricular contractility, mimicking characteristics of clinical septic cardiac dysfunction. In the second part, we determined the TLRS distribution in other mice major organs (lung, liver, gut and kidney) and we characterized in these organs the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation, on the expression of pro-inflammatory çytokines, and on the induction of apoptosis. We demonstrated that TLRS protein is constitutively expressed and that flagellin activates prototypical innate immune responses and pro-apoptotic pathways in all these organs. Finally, we also observed that flagellin induces a significant increase of multiple cytokines in the plasma from 1 to 6 hours after its intravenous administration. Altogether, these data provide evidence that bacterial flagellin (a) triggers an important inflammatory response and an acute dysfunction of the myocardium, and (b) significantly activates the mechanisms of innate immunity in most major organs and elicits a systemic inflammatory response. In consequence, flagellin may represent a potent mediator of inflammation and multiple organ failure, notably cardiac dysfunction, during Gram-negative septic shock.

The global posttranscriptional regulator RsmA modulates production of virulence determinants and N-acylhomoserine lactones in Pseudomonas aeruginosa.

Posttranscriptional control is known to contribute to the regulation of secondary metabolism and virulence determinants in certain gram-negative bacteria. Here we report the isolation of a Pseudomonas aeruginosa gene which encodes a global translational regulatory protein, RsmA (regulator of secondary metabolites). Overexpression of rsmA resulted in a substantial reduction in the levels of extracellular products, including protease, elastase, and staphylolytic (LasA protease) activity as well as the PA-IL lectin, hydrogen cyanide (HCN), and the phenazine pigment pyocyanin. While inactivation of rsmA in P. aeruginosa had only minor effects on the extracellular enzymes and the PA-IL lectin, the production of HCN and pyocyanin was enhanced during the exponential phase. The influence of RsmA on N-acylhomoserine lactone-mediated quorum sensing was determined by assaying the levels of N-(3-oxododecanoyl)homoserine lactone (3-oxo-C12-HSL) and N-butanoylhomoserine lactone (C4-HSL) produced by the rsmA mutant and the rsmA-overexpressing strain. RsmA exerted a negative effect on the synthesis of both 3-oxo-C12-HSL and C4-HSL, which was confirmed by using lasI and rhlI translational fusions. These data also highlighted the temporal expression control of the lasI gene, which was induced much earlier and to a higher level during the exponential growth phase in an rsmA mutant. To investigate whether RsmA modulates HCN production solely via quorum-sensing control, hcn translational fusions were employed to monitor the regulation of the cyanide biosynthesis genes (hcnABC). RsmA was shown to exert an additional negative effect on cyanogenesis posttranscriptionally by acting on a region surrounding the hcnA ribosome-binding site. This suggests that, in P. aeruginosa, RsmA functions as a pleiotropic posttranscriptional regulator of secondary metabolites directly and also indirectly by modulating the quorum-sensing circuitry.

Cell-cell communication in the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHA0

Summary Pseudomonas fluorescens CHAO is a soil bacterium which was isolated near Morens (Switzerland) and which protects plants from root-pathogenic fungi. This protection is due to extracellular secondary metabolites whose synthesis is regulated by the two-component system GacS/GacA in strain CHAO. Extracellular signals of bacterial origin activate this regulatory system. These signals are different from N-acyl-homoserine lactones, are extracted by dichloromethane and appear to have a low molecular weight. Preliminary evidence was obtained from a small molecule m/z 278 produced by strain CHAO. Similar signals capable of activating GacS/GacA-dependent regulation in strain CHAO were found in a large number of different Gram-negative bacteria. Once activated by signal(s), the sensor GacS is assumed to phosphorylate the response regulator GacA, which positively influences a regulatory cascade, resulting in the synthesis of secondary metabolites. This cascade includes three GacA-controlled small regulatory RNAs and two translational repressor proteins. The regulatory RNAs titrate the repressor proteins; this allows translation of target genes and the synthesis of exoenzymes and secondary metabolites such as antibiotics and hydrogen cyanide. A GFP-based sensor for signal detection was constructed in strain CHAO by fusing the gfp reporter gene to the rsmZ small RNA gene. CHAO mutants defective for signal production were isolated following transposon insertion mutagenesis. In one class of mutants obtained, the gacS gene was inactivated, indicating that GacS/GacA positively controls signal production. In a second class, the thiC gene required for thiamine (vitamin B1) biosynthesis was disrupted. Addition of excess (> 10E-6 M) thiamine to the medium restored signal production. By contrast, when the thiamine concentration was just sufficient to allow normal growth, no production of signal(s) was observed. The mechanism by which thiamine activates signal production remains to be elucidated. Résumé Pseudomonas fluorescens CHAO est une bactérie du sol, isolée près de Morens (Suisse), qui a la capacité de protéger les plantes contre des champignons pathogènes de la racine. Cette protection provient de métabolites secondaires excrétés par la bactérie, dont la synthèse est régulée par le système à deux composants GacS/GacA. Des signaux extracellulaires d'origine bactérienne activent ce système de régulation. Ces signaux, différents des N-acyl¬homosérines lactones, sont extraits par le dichlorométhane et semblent avoir une petite masse moléculaire. Une molécule (masse m/z 278) a été mise en évidence par des expériences préliminaires chez la souche CHAO. Des signaux similaires, capables d'activer la régulation dépendante de GacS/GacA chez la souche CHAO, ont été trouvés chez un grand nombre de bactéries à Gram négative. Une fois activé par le(s) signal(aux), le senseur GacS est supposé phosphoryler le régulateur de réponse GacA, qui influence positivement la cascade de régulation menant à la synthèse des métabolites secondaires. Cette cascade inclut trois petits ARNs régulateurs contrôlés par GacA et deux protéines répresseurs de la traduction. Les ARNs régulateurs titrent les protéines répresseurs, ce qui permet la traduction des gènes cibles et la synthèse d'exoenzymes et de métabolites secondaires tel les antibiotiques et le cyanure d'hydrogène. Un senseur basé sur la GFP pour la détection de signaux a été construit dans la souche CHAO en fusionnant le gène rapporteur gfp au gène de petit ARN rsmZ. Des mutants de CHAO déficients pour la production de signaux ont été isolés au moyen d'une mutagenèse par insertion de transposon. Chez une classe de mutants obtenus, le gène gacS a été inactivé, indiquant que GacS/GacA contrôle positivement la production de signaux. Dans une seconde classe, le gène thiC nécessaire à la biosynthèse de thiamine (vitamine B1) a été interrompu. L'addition en excès (> 10E-6 M) de thiamine au milieu restaure la production de signaux. A l'opposé, quand la concentration de thiamine est juste suffisante pour permettre une croissance normale, aucune production de signaux n'a été observée. Le mécanisme par lequel la thiamine active la production de signaux reste à élucider.