Role of penicillin-binding proteins in Streptococcus gordonii

Résumé Streptococcus gordonii est une bactérie colonisatrice naturelle de la cavité buccale de l'homme. Bien que normalement commensale, elle peut causer des infections graves, telles que des bactériémies ou des endocardites infectieuses. La pénicilline étant un des traitements privilégiés dans de tels cas, l'augmentation rapide et globale des résistances à cet antibiotique devient inquiétante. L'étude de la physiologie et des bases génétiques de ces résistances chez S. gordonii s'avère donc importante. Les cibles moléculaires privilégiées de la pénicilline G et des β-lactames sont les penicilllin-binding proteins (PBPs). Ces enzymes associées à la membrane ont pour rôle de catalyser les réactions de transpeptidation et de transglycosylation, qui constituent les dernières étapes de la biosynthèse du peptidoglycan (PG). Elles sont définies comme classe A ou B selon leur capacité d'assurer soit les deux réactions, soit uniquement la transpeptidation. Les β-lactames inhibent le domaine transpeptidase de toutes les PBPs, entraînant l'inhibition de la synthèse du PG, l'inhibition de la croissance, et finalement la mort cellulaire. Chez les streptocoques, les PBPs sont aussi les premiers déterminants de la résistance à la pénicilline. De plus, elles sont impliquées dans la morphologie bactérienne, en raison de leur rôle crucial dans la formation du PG. Le but de ce travail était de caractériser les PBPs de S. gordonii et d'étudier leurs fonctions dans la vie végétative de la bactérie ainsi que durant le développement de la résistance à la pénicilline. Premièrement, des mutants auxquels il manque une ou deux PBP(s) ont été construits. Leur étude - au niveau physiologique, biochimique et morphologique - a montré le caractère essentiel ou dispensable de chaque protéine, ainsi que certaines de leurs fonctions potentielles. Deuxièmement, des mutants résistants à la pénicilline ont été générés. Leur caractérisation a montré l'importance des mutations dans les PBPs ainsi que dans d'autres gènes encore inconnus, de même que le rôle crucial des PBPs de classe A dans le développement de la résistance à la pénicilline. Des expériences supplémentaires sur des isolats résistants ont aussi prouvé que la résistance a un coût en terme de fitness, coût que S. gordonii parvient à compenser par des mécanismes d'adaptation. Finalement, les promoteurs des gènes des PBPs ont été déterminés et leur expression a été étudiée grâce au gène de luciférase. Il a ainsi été montré que la résistance à la pénicilline entraîne non seulement des altérations au niveau des protéines, mais aussi au niveau de la régulation des gènes. De plus, la pénicilline génère directement des modifications dans l'expression de PBPs spécifiques. Summary Streptococcus gordonii is a normal inhabitant of the human oral cavity and a pioneer colonizer of teeth. Although usually considered as a commensal, this organism can cause life-threatening infections such as bacteraemia or endocarditis. Since penicillin is one of the preferential treatments for such pathologies, the rapid and general increase of antibiotic resistance in the overall population becomes an issue. Thus, studying the physiologic and genetic bases of such a resistance in S. gordonii is of interest. The primary molecular targets of penicillin G and other β-lactams are the so called penicillin-binding proteins (PBPs). These are membrane-associated proteins that catalyze the last steps in peptidoglycan (PG) biosynthesis, namely transpeptidation and transglycosylation. Depending on their capacity to catalyze either reactions or only transpeptidation, they are considered as class A or class B PBPs, respectively. β-lactam antibiotics inhibit the transpeptidase domain of both of these classes of enzymes, resulting in inhibition of PG assembly, inhibition of bacterial growth, and ultimately leading to cell death. In streptococci, PBPs are also the primary determinants of penicillin-resistance. Moreover, because of their crucial role in PG formation, they are implicated in fundamental aspects of cell morphology. The goal of this work was thus to characterize S. gordonii PBPs and to explore their functions in terms of vegetative life and penicillin-resistance development. First, single and double PBP-inactivated mutants were generated and their effect on the bacterial physiology, cell wall biochemistry and ultrastructural morphology was assessed. This demonstrated the essentiality or dispensability of each protein for bacterial life. Second, penicillin-resistant mutants were generated by cyclic exposure to increasing concentrations of the drug. Characterization of these mutants pointed out the importance of both PBP and non-PBP mutations, as well as the crucial role of the class A PBPs in the development of penicillin-resistance. Further experiments on resistant isolates demonstrated the fitness cost of this resistance, but also the capacity of S. gordonii to adapt and regain the fitness of the wild-type. Finally, the promoters of PBP genes were determined and their expression was monitored using luciferase fusions. This showed that penicillin-resistance, in addition to modifications at the level of the protein, also triggered genetic alterations. Moreover, penicillin itself generated modifications in the expression of specific PBPs.

Biology and pathogenicity of "Waddlia chondrophila"

Abstract This thesis investigates the pathogenicity of a Chlamydia-related bacterium: Waddlia chondrophila, which is suspected to cause abortion in bovines as well as miscarriages in humans. Macrophages represent the first line of defense of the innate immunity against invading pathogens, we thus studied the interaction between W. chondrophila and human macrophages. We observed that W. chondrophila multiplied very efficiently inside monocyte-derived macrophages. Diagnostic tools to detect obligate intracellular bacteria are lacking so we developed a Waddlia specific real-time PCR based on the 16S rRNA encoding gene. Since W. chondrophila could be involved in human miscarriage, we analyzed samples from women having miscarriage or uneventful pregnancy. Waddlia serologies results confirmed an association between the presence of W. chondrophila antibodies and miscarriage (23.2% versus 14.6% in the control group, p-value 0.044). As W. chondrophila's pathogenicity was suggested, we studied its antibiotic susceptibility. W. chondrophila revealed to be susceptible to macrolides and tetracylines but resistant to beta-lactams and fluoroquinolones. This resistance to fluoroquinolones could be explained by mutations in the quinolone resistance determining region of the gyrase (GyrA) and topoisomerase IV (ParC) encoding genes. In conclusion, this thesis allowed to precise the role of W. chondrophila in human miscarriage. However, more studies will be necessary to fully understand the pathogenesis of W. chondrophila in adverse pregnancy outcomes. Résumé Le but de cette thèse a été d'étudier la pathogénicité d'une bactérie apparentée aux Chlamydia: Waddlia chondrophila. Les macrophages représentant la première ligne de défense du système immunitaire inné contre les pathogènes, nous avons d'abord étudié l'interaction entre W. chondrophila and les macrophages humains. Nous avons pu observer que W. chondrophila résistait aux effecteurs microbicides des macrophages et se multipliait efficacement au sein de ces cellules. Au vu du manque d'outils diagnostiques pour détecter cette bactérie intracellulaire obligatoire, nous avons également développé une PCR en temps réel, spécifique pour Waddlia, basée sur le gène de l'ARN ribosomal 16S. Cette PCR a été utilisée dans les différents projets afin de détecter la présence de W. chondrophila. W. chondrophila étant suspectée de pouvoir causer des fausses couches chez la femme, nous avons analysé des échantillons provenant de femmes ayant souffert de fausse couche, ainsi que, comme contrôles, des femmes ayant eu une grossesse normale. Les sérologies ont révélé une association entre la présence d'anticorps dirigés contre Waddlia et la fausse couche (23.2% versus 14.6% chez les contrôles, p-value=0.044). La présence de la bactérie a aussi été détectée par PCR et immunohistochimie dans plusieurs échantillons. L'implication de W. chondrophila dans la fausse couche se précisant, nous avons étudié sa susceptibilité aux antibiotiques. W. chondrophila s'est révélée sensible aux macrolides et aux tetracyclines mais résistante aux beta-lactames et aux quinolones. Cette résistance aux quinolones peut être expliquée par la présence de mutations dans le QRDR (région déterminant la résistance aux quinolones) des gènes gyrA et parC. En conclusion, cette thèse a permis de préciser l'implication de W. chondrophila dans la fausse couche. Des études complémentaires seront cependant nécessaires pour confirmer et préciser le rôle exact de W. chondrophila dans les problèmes obstétricaux.