Functional analysis of the large periplasmic loop of the Escherichia coli K-12 WaaL O-antigen ligase

WaaL is a membrane enzyme implicated in ligating undecaprenyl-diphosphate (Und-PP)-linked O antigen to lipid A-core oligosaccharide. We determined the periplasmic location of a large (EL5) and small (EL4) adjacent loops in the Escherichia coli K-12 WaaL. Structural models of the EL5 from the K-12, R1 and R4 E. coli ligases were generated by molecular dynamics. Despite the poor amino acid sequence conservation among these proteins, the models afforded similar folds consisting of two pairs of almost perpendicular alpha-helices. One alpha-helix in each pair contributes a histidine and an arginine facing each other, which are highly conserved in WaaL homologues. Mutations in either residue rendered WaaL non-functional, since mutant proteins were unable to restore O antigen surface expression. Replacements of residues located away from the putative catalytic centre and non-conserved residues within the centre itself did not affect ligation. Furthermore, replacing a highly conserved arginine in EL4 with various amino acids inactivates WaaL function, but functionality reappears when the positive charge is restored by a replacement with lysine. These results lead us to propose that the conserved amino acids in the two adjacent periplasmic loops could interact with Und-PP, which is the common component in all WaaL substrates.

Defective O-antigen polymerization in tolA and pal mutants of Escherichia coli in response to extracytoplasmic stress

We have previously shown that the TolA protein is required for the correct surface expression of the Escherichia coli O7 antigen lipopolysaccharide (LPS). In this work, delta tolA and delta pal mutants of E. coli K-12 W3110 were transformed with pMF19 (encoding a rhamnosyltransferase that reconstitutes the expression of O16-specific LPS), pWQ5 (encoding the Klebsiella pneumoniae O1 LPS gene cluster), or pWQ802 (encoding the genes necessary for the synthesis of Salmonella enterica O:54). Both DeltatolA and delta pal mutants exhibited reduced surface expression of O16 LPS as compared to parental W3110, but no significant differences were observed in the expression of K. pneumoniae O1 LPS and S. enterica O:54 LPS. Therefore, TolA and Pal are required for the correct surface expression of O antigens that are assembled in a wzy (polymerase)-dependent manner (like those of E. coli O7 and O16) but not for O antigens assembled by wzy-independent pathways (like K. pneumoniae O1 and S. enterica O:54). Furthermore, we show that the reduced surface expression of O16 LPS in delta tolA and delta pal mutants was associated with a partial defect in O-antigen polymerization and it was corrected by complementation with intact tolA and pal genes, respectively. Using derivatives of W3110 delta tolA and W3110 delta pal containing lacZ reporter fusions to fkpA and degP, we also demonstrate that the RpoE-mediated extracytoplasmic stress response is upregulated in these mutants. Moreover, an altered O16 polymerization was also detected under conditions that stimulate RpoE-mediated extracytoplasmic stress responses in tol+ and pal+ genetic backgrounds. A Wzy derivative with an epitope tag at the C-terminal end of the protein was stable in all the mutants, ruling out stress-mediated proteolysis of Wzy. We conclude that the absence of TolA and Pal elicits a sustained extracytoplasmic stress response that in turn reduces O-antigen polymerization but does not affect the stability of the Wzy O-antigen polymerase.

The rfaE gene from Escherichia coli encodes a bifunctional protein involved in biosynthesis of the lipopolysaccharide core precursor ADP-L-glycero-D-manno-heptose

The intermediate steps in the biosynthesis of the ADP-L-glycero-D-manno-heptose precursor of inner core lipopolysaccharide (LPS) are not yet elucidated. We isolated a mini-Tn10 insertion that confers a heptoseless LPS phenotype in the chromosome of Escherichia coli K-12. The mutation was in a gene homologous to the previously reported rfaE gene from Haemophilus influenzae. The E. coli rfaE gene was cloned into an expression vector, and an in vitro transcription-translation experiment revealed a polypeptide of approximately 55 kDa in mass. Comparisons of the predicted amino acid sequence with other proteins in the database showed the presence of two clearly separate domains. Domain I (amino acids 1 to 318) shared structural features with members of the ribokinase family, while Domain II (amino acids 344 to 477) had conserved features of the cytidylyltransferase superfamily that includes the aut gene product of Ralstonia eutrophus. Each domain was expressed individually, demonstrating that only Domain I could complement the rfaE::Tn10 mutation in E. coli, as well as the rfaE543 mutation of Salmonella enterica SL1102. DNA sequencing of the rfaE543 gene revealed that Domain I had one amino acid substitution and a 12-bp in-frame deletion resulting in the loss of four amino acids, while Domain II remained intact. We also demonstrated that the aut::Tn5 mutation in R. eutrophus is associated with heptoseless LPS, and this phenotype was restored following the introduction of a plasmid expressing the E. coli Domain II. Thus, both domains of rfaE are functionally different and genetically separable confirming that the encoded protein is bifunctional. We propose that Domain I is involved in the synthesis of D-glycero-D-manno-heptose 1-phosphate, whereas Domain II catalyzes the ADP transfer to form ADP-D-glycero-D-manno-heptose.

The GalF protein of Escherichia coli is not a UDP-glucose pyrophosphorylase but interacts with the GalU protein possibly to regulate cellular levels of UDP-glucose

We report the functional characterization of the galF gene of strain VW187 (Escherichia coli O7:K1), which encodes a polypeptide displaying structural features common to bacterial UDP-glucose pyrophosphorylases, including the E. coli GalU protein. These enzymes catalyse a reversible reaction converting UTP and glucose-1-phosphate into UDP-glucose and PPi. We show that, although the GalF protein is expressed in vivo, GalF-expressing plasmids cannot complement the phenotype of a galU mutant and extracts from this mutant which only produces GalF are enzymatically inactive. In contrast, the presence of GalU and GalF proteins in the same cell-free extract caused a significant reduction in the rate of pyrophosphorolysis (conversion of UDP-glucose into glucose-1-phosphate) but no significant effect on the kinetics of synthesis of UDP-glucose. The presence of GalF also increased the thermal stability of the enzyme in vitro. The effect of GalF in the biochemical properties of the UDP-glucose pyrophosphorylase required the co-synthesis of GalF and GalU, suggesting that they could interact as components of the oligomeric enzyme. The physical interaction of GalU and GalF was demonstrated in vivo by the co-expression of both proteins as fusion products using a yeast two-hybrid system. Furthermore, using a pair of galF-/galU+ and galF/galU+ isogenic strains, we demonstrated that the presence of GalF is associated with an increased concentration of intracellular UDP-glucose as well as with an enhancement of the thermal stability of the UDP-glucose pyrophosphorylase in vivo. We propose that GalF is a non-catalytic subunit of the UDP-glucose pyrophosphorylase modulating the enzyme activity to increase the formation of UDP-glucose, and this function is important for bacterial adaptation to conditions of stress.

Genetic analysis of the O-specific lipopolysaccharide biosynthesis region (rfb) of Escherichia coli K-12 W3110:identification of genes that confer group 6 specificity to Shigella flexneri serotypes Y and 4a

We recently reported a novel genetic locus located in the sbcB-his region of the chromosomal map of Escherichia coli K-12 which directs the expression of group 6-positive phenotype in Shigella flexneri lipopolysaccharide, presumably due to the transfer of O-acetyl groups onto rhamnose residues of the S. flexneri O-specific polysaccharide (Z. Yao, H. Liu, and M. A. Valvano, J. Bacteriol. 174:7500-7508, 1992). In this study, we identified the genetic region encoding group 6 specificity as part of the rfb gene cluster of E. coli K-12 strain W3110 and established the DNA sequence of most of this cluster. The rfbBDACX block of genes, located in the upstream region of the rfb cluster, was found to be strongly conserved in comparison with the corresponding region in Shigella dysenteriae type 1 and Salmonella enterica. Six other genes, four of which were shown to be essential for the expression of group 6 reactivity in S. flexneri serotypes Y and 4a, were identified downstream of rfbX. One of the remaining two genes showed similarities with rfc (O-antigen polymerase) of S. enterica serovar typhimurium, whereas the other, located in the downstream end of the cluster next to gnd (gluconate-6-phosphate dehydrogenase), had an IS5 insertion. Recently, it has been reported that the IS5 insertion mutation (rfb-50) can be complemented, resulting in the formation of O16-specific polysaccharide by E. coli K-12 (D. Liu and P. R. Reeves, Microbiology 140:49-57, 1994). We present immunochemical evidence suggesting that S. flexneri rfb genes also complement the rfb-50 mutation; in the presence of rfb genes of E. coli K-12, S. flexneri isolates express O16-specific polysaccharide which is also acetylated in its rhamnose residues, thereby eliciting group 6 specificity.

Diphenylamine increases cloacin DF13 sensitivity in avian septicemic strains of Escherichia coli

Thirteen avian septicemic isolates of Escherichia coli were examined for the presence of the aerobactin iron transport system. All of the strains possessed a functional aerobactin system and hybridization experiments showed that the aerobactin genes were located on ColV-type plasmids in all cases. The expression of the aerobactin receptor IutA was also studied by determining the bacterial susceptibility to the bacteriocin cloacin DF13. Twelve of the 13 isolates were cloacin-resistant but became sensitive to this bacteriocin upon treatment with diphenylamine which caused a reduction in the amount of O-side chain lipopolysaccharide.

Pathogenicity and molecular genetics of O-specific side-chain lipopolysaccharides of Escherichia coli

Lipopolysaccharide (LPS), a glycolipid molecule found on the outer leaflet of outer membranes of gram-negative bacteria, consists of three moieties: lipid A, core oligosaccharide, and the O-specific polysaccharide chain. The O-specific side chain, which extends to the extracellular milieu, plays an important role in pathogenicity, especially during the initial stages of infection, because of its ability to interact with serum complement. In recent years, several laboratories have used recombinant DNA tools to determine, at the molecular level, the organization, expression, and regulation of genes involved in LPS biosynthesis in Salmonella and Escherichia coli. An increased understanding of the molecular aspects of the O-specific side-chain genes will shed light on the intimate details related with the formation of the O-specific side chain, its assembly onto the lipid A--core, and the translocation and insertion of the complete LPS molecule into the outer membrane. It will also contribute to the understanding of the evolution of these genes and the correlation of chemical diversity of O-specific side chains with the genetic diversity of O-specific side-chain genes. In addition, since the O-specific side chains are involved in the pathogenicity of medically important gram-negative bacteria, a basic understanding of the regulation and expression of O-specific side chain LPS genes will contribute to the field of molecular pathogenesis. This article provides an overview of the role of O-specific side chains in septicemic infections and also discusses the current status of molecular genetic studies on O-specific side-chain genes from E. coli.

Genetic analysis of the O7-polysaccharide biosynthesis region from the Escherichia coli O7:K1 strain VW187

We recently cloned biosynthesis genes for the O7-lipopolysaccharide (O7-LPS) side chain from the Escherichia coli K-1 strain VW187 (M. A. Valvano, and J. H. Crosa, Infect. Immun. 57:937-943, 1989). To characterize the O7-LPS region, the recombinant cosmids pJHCV31 and pJHCV32 were mutagenized by transposon mutagenesis with Tn3HoHo1, which carries a promoterless lac operon and can therefore generate lacZ transcriptional fusions with target DNA sequences. Cells containing mutated plasmids were examined for their ability to react by coagglutination with O7 antiserum. The LPS pattern profiles of the insertion mutants were also investigated by electrophoresis of cell envelope fractions, followed by silver staining and immunoblotting analysis. These experiments identified three phenotypic classes of mutants and defined a region in the cloned DNA of about 14 kilobase pairs that is essential for O7-LPS expression. Analysis of beta-galactosidase production by cells carrying plasmids with transposon insertions indicated that transcription occurs in only one direction along the O7-LPS region. In vitro transcription-translation experiments revealed that the O7-LPS region encodes at least 16 polypeptides with molecular masses ranging from 20 to 48 kilodaltons. Also, the O7-LPS region in VW187 was mutagenized by homologous recombination with subsets of the cloned O7-LPS genes subcloned into a suicide plasmid vector. O7-LPS-deficient mutants of VW187 were complemented with pJHCV31 and pJHCV32, confirming that these cosmids contain genetic information that is essential for the expression of the O7 polysaccharide.

Measurement of proton-driven antiport in Escherichia coli

Secondary active transport of substrates across the inner membrane is vital to the bacterial cell. Of the secondary active transporter families, the ubiquitous major facilitator superfamily (MFS) is the largest and most functionally diverse (Reddy et al., 2012). Recently, it was reported that the MFS multidrug efflux protein MdtM from Escherichia coli (E. coli) functions physiologically in protection of bacterial cells against bile salts (Paul et al., 2014). The MdtM transporter imparts bile salt resistance to the bacterial cell by coupling the exchange of external protons (H+) to the efflux of bile salts from the cell interior via an antiport reaction. This protocol describes, using fluorometry, how to detect the bile salt/H+ antiport activity of MdtM in inverted membrane vesicles of an antiporter-deficient strain of E. coli TO114 cells by measuring transmembrane ∆pH. This method exploits the changes that occur in the intensity of the fluorescence signal (quenching and dequenching) of the pH-sensitive dye acridine orange in response to changes in [H+] in the vesicular lumen. Due to low levels of endogenous transporter expression that would normally make the contribution of individual transporters such as MdtM to proton-driven antiport difficult to detect, the method typically necessitates that the transporter of interest be overexpressed from a multicopy plasmid. Although the first section of the protocol described here is very specific to the overexpression of MdtM from the pBAD/Myc-His A expression vector, the protocol describing the subsequent measurement of bile salt efflux by MdtM can be readily adapted for measurement of antiport of other substrates by any other antiporter that exchanges protons for countersubstrate.

Aspects of the hemes and modulation of hydrogen donors in catalases from bovine liver, yeast, and escherichia coli

Catalase is the enzyme which decomposes hydrogen peroxide to water and oxygen. Escherichia coli contains two catalases. Hydroperoxidase I (HPI) is a bifunctional catalase-peroxidase. Hydroperoxidase II (HPII) is only catalytically active toward H202. Expression of the genes encoding these proteins is controlled by different regimes. HPJI is thought to be a hexamer, having one heme d cis group per enzymatic subunit. HPII wild type protein and heme containing mutant proteins were obtained from the laboratory of P. Loewen (Univ. of Manitoba). Mutants constructed by oligonucleotidedirected mutagenesis were targeted for replacement of either the His128 residue or the Asn201 residue in the vicinity of the HPII heme crevice. His128 is the residue thought to be analogous to the His74 distal axial ligand of the heme in the bovine liver enzyme, and Asn201 is believed to be a residue critical to the function of the enzyme because of its role in orienting and interacting with the substrate molecule. Investigation of the nature of the hemes via absorption spectroscopy of the unmodified catalase proteins and their derived pyridine hemochromes showed that while the bovine and Saccharomyces cerevisiae catalase enzymes are protoheme-containing, the HPII wild type protein contains heme d, and the mutant proteins contain either solely protoheme, or heme d-protoheme mixtures. Cyanide binding studies supported this, as ligand binding was monophasic for the bovine, Saccharomyces cerevisiae, and wild type HPII enzymes, but biphasic for several of the HPII mutant proteins. Several mammalian catalases, and at least two prokaryotic catalases, are known to be NADPH binding. The function of this cofactor appears to be the prevention of inactivation of the enzyme, which occurs via formation of the inactive secondary catalase peroxide compound (compound II). No physiologically plausible scheme has yet been proposed for the NADPH mediation of catalase activity. This study has shown, via fluorescence and affinity chromatography techniques, that NADPH binds to the T (Typical) and A (Atypical) catalases of Saccharomyces cerevisiae, and that wild type HPII apparently does not bind NADPH. This study has also shown that NADPH is unlike any other hydrogen donor to catalase, and addresses its features as a unique donor by proposing a mechanism whereby NADPH is oxidized and catalase is protected from inactivation via the formation of protein radical species. Migration of this radical to a position close to the NADPH is also proposed as an adjunct hypothesis, based on similar electron migrations that are known to occur within metmyoglobin and cytochrome c peroxidase when reacted with H202. Validation of these hypotheses may be obtained in appropriate future experiments.

Effet de la RNase HI sur l’expression génique et sur le surenroulement de l’ADN chez Escherichia coli

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes.

Étude des mécanismes moléculaires influençant la variation de phase des adhésines P, F1651 et CS31A présentes chez des souches d'Escherichia coli pathogènes.

F1651, les pili Pap et l’antigène CS31A associé aux antigènes de surface K88 sont tout trois des membres de la famille de type P des facteurs d’adhérence jouant un rôle prépondérant lors de l’établissement d’une maladie causée par des souches Escherichia coli pathogènes, en particulier des souches d’E. coli pathogènes extra-intestinales (ExPEC, Extra-intestinal pathogenic E. coli). Leur expression est sous le contrôle d’un mécanisme de régulation transcriptionnel dépendant de l’état de méthylation de l’ADN, résultant dans l’existence de deux populations définies, l’une exprimant l’adhésine (population ON) et l’autre ne l’exprimant pas (population OFF). Malgré de fortes identités de séquences, ces trois systèmes diffèrent l’un de l’autre, principalement par le pourcentage de cellules ON rencontrées. Ainsi, quand CS31A est systématiquement orienté vers un état considéré comme OFF, F1651 présente une phase ON particulièrement élevée et Pap montre deux états OFF et ON bien distincts, selon le phénotype de départ. La protéine régulatrice sensible à la leucine (Lrp, Leucine-responsive regulatory protein) joue un rôle essentiel dans la réversibilité de ce phénomène épigénétique et il est supposé que les différences de séquences au niveau de la région régulatrice modifient la localisation à ces sites de fixation de Lrp; ce qui résulte, en final, aux différences de phase existant entre CS31A, F1651 et Pap.À l’aide de divers techniques parmi lesquelles l’utilisation de gènes rapporteurs, mutagénèses dirigées et d’analyse des interactions ADN-protéines in vitro, nous montrons dans ce présent projet que la phase OFF prédominante chez CS31A est principalement due à une faible interaction de Lrp avec la région distale de l’opéron clp, et que la présence d’un homologue du régulateur local PapI joue un rôle également clef dans la production de CS31A. Dans le cas de F1651, nous montrons dans cette étude que le taux élevé de cellules en phase ON est dû à une altération dans le maintien de Lrp sur les sites répresseurs 1-3. Ceci est dû à la présence de deux nucléotides spécifiques, situé de part et d’autre du site répresseur 1, qui défavorisent la fixation de Lrp sur ce site précis. Tout comme dans le cas de CS31A, la formation d’un complexe, activateur ou répresseur de la phase ON, dépend également de l’action de du régulatuer local FooI, qui favorise alors le déplacement de Lrp des sites répresseurs 1-3 vers les sites activateurs 4-6.

Étude de la biogenèse de l'autotransporteur AIDA-I d'Escherichia coli

Les autotransporteurs monomériques, appartenant au système de sécrétion de type V, correspondent à une famille importante de facteurs de virulence bactériens. Plusieurs fonctions, souvent essentielles pour le développement d’une infection ou pour le maintien et la survie des bactéries dans l’organisme hôte, ont été décrites pour cette famille de protéines. Malgré l’importance de ces protéines, notre connaissance de leur biogenèse et de leur mécanisme d’action demeure relativement limitée. L’autotransporteur AIDA-I, retrouvé chez diverses souches d’Escherichia coli, est un autotransporter multifonctionnel typique impliqué dans l’adhésion et l’invasion cellulaire ainsi que dans la formation de biofilm et d’agrégats bactériens. Les domaines extracellulaires d’autotransporteurs monomériques sont responsables de la fonctionnalité et possèdent pratiquement tous une structure caractéristique d’hélice β. Nous avons mené une étude de mutagenèse aléatoire avec AIDA-I afin de comprendre la base de la multifonctionnalité de cette protéine. Par cette approche, nous avons démontré que les domaines passagers de certains autotransporteurs possèdent une organisation modulaire, ce qui signifie qu’ils sont construits sous la forme de modules fonctionnels. Les domaines passagers d’autotransporteurs peuvent être clivés et relâchés dans le milieu extracellulaire. Toutefois, malgré la diversité des mécanismes de clivage existants, plusieurs protéines, telles qu’AIDA-I, sont clivées par un mécanisme qui demeure inconnu. En effectuant une renaturation in vitro d’AIDA-I, couplée avec une approche de mutagenèse dirigée, nous avons démontré que cette protéine se clive par un mécanisme autocatalytique qui implique deux acides aminés possédant un groupement carboxyle. Ces résultats ont permis la description d’un nouveau mécanisme de clivage pour la famille des autotransporteurs monomériques. Une des particularités d’AIDA-I est sa glycosylation par une heptosyltransférase spécifique nommée Aah. La glycosylation est un concept plutôt récent chez les bactéries et pour l’instant, très peu de protéines ont été décrites comme glycosylées chez E. coli. Nous avons démontré que Aah est le prototype pour une nouvelle famille de glycosyltransférases bactériennes retrouvées chez diverses espèces de protéobactéries. La glycosylation d’AIDA-I est une modification cytoplasmique et post-traductionnelle. De plus, Aah ne reconnaît pas une séquence primaire, mais plutôt un motif structural. Ces observations sont uniques chez les bactéries et permettent d’élargir nos connaissances sur la glycosylation chez les procaryotes. La glycosylation par Aah est essentielle pour la conformation d’AIDA-I et par conséquent pour sa capacité de permettre l’adhésion. Puisque plusieurs homologues d’Aah sont retrouvés à proximité d’autotransporteurs monomériques putatifs, cette famille de glycosyltranférases pourrait être importante, sinon essentielle, pour la biogenèse et/ou la fonction de nombreux autotransporteurs. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse apportent de nouvelles informations et permettent une meilleure compréhension de la biogenèse d’une des plus importantes familles de protéines sécrétées chez les bactéries Gram négatif.

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).

Influence du microbiote intestinal sur le métabolisme et la virulence des Escherichia coli entérohémorragiques

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) représentent un problème majeur de santé publique dans les pays développés. Les EHEC sont régulièrement responsables de toxi-infections alimentaires graves chez l’humain et causent des colites hémorragiques et le symptôme hémolytique et urémique, mortel chez les enfants en bas âge. Les EHEC les plus virulents appartiennent au sérotype O157:H7 et le bovin constitue leur réservoir naturel. À ce jour il n’existe aucun traitement pour éviter l’apparition des symptômes liés à une infection à EHEC. Par conséquent, il est important d’augmenter nos connaissances sur les mécanismes employés par le pathogène pour réguler sa virulence et coloniser efficacement la niche intestinale. Dans un premier temps, l’adaptation de la souche EHEC O157:H7 EDL933 à l’activité métabolique du microbiote intestinal a été étudiée au niveau transcriptionnel. Pour se faire, EDL933 a été cultivée dans les contenus caecaux de rats axéniques (milieu GFC) et dans ceux provenant de rats colonisés par le microbiote intestinal humain (milieu HMC). Le HMC est un milieu cécal conditionné in vivo par le microbiote. Dans le HMC par rapport au GFC, EDL933 change drastiquement de profile métabolique en réponse à l’activité du microbiote et cela se traduit par une diminution de l’expression des voies de la glycolyse et une activation des voies de l’anaplérose (voies métaboliques dont le rôle est d’approvisionner le cycle TCA en intermédiaires métaboliques). Ces résultats, couplés avec une analyse métabolomique ciblée sur plusieurs composés, ont révélé la carence en nutriments rencontrée par le pathogène dans le HMC et les stratégies métaboliques utilisées pour s’adapter au microbiote intestinal. De plus, l’expression des gènes de virulence incluant les gènes du locus d’effacement des entérocytes (LEE) codant pour le système de sécrétion de type III sont réprimés dans le HMC par rapport au GFC indiquant la capacité du microbiote intestinal à réprimer la virulence des EHEC. L’influence de plusieurs composés intestinaux présents dans les contenus caecaux de rats sur l’expression des gènes de virulence d’EDL933 a ensuite été étudiée. Ces résultats ont démontré que deux composés, l’acide N-acétylneuraminique (Neu5Ac) et le N-acétylglucosamine (GlcNAc) répriment l’expression des gènes du LEE. La répression induite par ces composés s’effectue via NagC, le senseur du GlcNAc-6-P intracellulaire et le régulateur du catabolisme du GlcNAc et du galactose chez E. coli. NagC est un régulateur transcriptionnel inactivé en présence de GlcNAc-6-P qui dérive du catabolisme du Neu5Ac et du transport GlcNAc. Ce travail nous a permis d’identifier NagC comme un activateur des gènes du LEE et de mettre à jour un nouveau mécanisme qui permet la synchronisation de la virulence avec le métabolisme chez les EHEC O157:H7. La concentration du Neu5Ac et du GlcNAc est augmentée in vivo chez le rat par le symbiote humain Bacteroides thetaiotaomicron, indiquant la capacité de certaines espèces du microbiote intestinal à relâcher les composés répresseurs de la virulence des pathogènes. Ce travail a permis l’identification des adaptations métaboliques des EHEC O157:H7 en réponse au microbiote intestinal ainsi que la découverte d’un nouveau mécanisme de régulation de la virulence en réponse au métabolisme. Ces données peuvent contribuer à l’élaboration de nouvelles approches visant à limiter les infections à EHEC.