La colibactine est une toxine largement distribuée chez Escherichia coli. Sa synthèse est assurée par des enzymes codés par un îlot génomique appelé pks. Elle provoque des cassures double brin de l'ADN, des mutations, d'important remaniements chromosomiques et favorise l'émergence de tumeurs intestinales en modèle murin. Par ailleurs, les E. coli producteurs colonisent fréquemment les tumeurs de patients atteints de cancer colorectal. Nos travaux montrent que les bactéries productrices de colibactine induisent la sénescence cellulaire et stimulent de façon indirect la prolifération cellulaire in vitro et la croissance tumorale in vivo. L'action pro-proliférative des cellules rendues sénescentes par les E. coli producteurs de colibactine est liée à la production du facteur de croissance HGF. L'étude de la signalisation cellulaire responsable montre l'implication du facteur de transcription c-Myc, l'activation de la transcription d'un microARN qui en ciblent la peptidase SENP1, et une modification de la SUMOylation des protéines de l'hôte, notamment p53, un effecteur connu de la sénescence cellulaire. Cette voie de signalisation et les transcripts codant HGF ont été analysés dans des tumeurs de patients atteints de cancer colorectal colonisés ou non par des E. coli producteurs de colibactine. Les résultats obtenus soutiennent les résultats obtenus in vitro et dans le modèle murin. L'ensemble suggère que les bactéries productrices de colibactine favorisent l'émergence d'un micro-environnement tumoral sénescent susceptible de favoriser la croissance tumorale via la sécrétion de HGF. En parallèle, nous avons caractérisé sur le plan structural et fonctionnel la protéine ClbP de l'îlot pks. Les résultats obtenus montrent que ClbP est une peptidase à serine active dont le site actif est extracytoplasmique et indispensable à l'activité biologique de l'îlot pks. Des inhibiteurs « drug-like » de ClbP ont été identifiés à l'aide d'approches structurales, biochimiques, cellulaires et microbiologiques. Ces molécules se lient au site actif de ClbP avec une affinité nanomolaire et bloquent les activités génotoxiques et pro-tumorales des E. coli producteurs de colibactine. ClbP constitue donc une cible thérapeutique potentielle permettant de bloquer les effets délétères des E. coli producteurs de colibactine. / The colibactin toxin is widely distributed in Escherichia coli. Its synthesis is performed by enzymes encoded by the genomic island pks. It causes DNA double-strand breaks, mutations, chromosomal rearrangements in host cells and contributes to tumorigenesis in a mouse model. In addition, colibactin-producing E. coli are frequently isolated from tumors of patients with colorectal cancer. Our work shows that colibactin-producing bacteria induce cellular senescence and, consequently, can indirectly stimulate cell proliferation in vitro and tumor growth in vivo. The pro-proliferative effect mediated by these senescent cells is due to the secretion of growth factors, in particular HGF. The cell signaling responsible for cellular senescence shows the involvement of the transcription factor c-Myc, the transcription of a microRNA targeting the peptidase SENP1, and a modification of protein SUMOylation, including p53, a well-known effector of cellular senescence. This signaling pathway and HGF-encoding transcripts were analyzed in tumors of patients with colorectal cancer colonized or not by colibactin-producing E. coli. The results support the findings obtained in vitro and in the mouse model. Taken together, the results suggest that, in tumors, colibactin-producing bacteria promote the emergence of a senescent microenvironment, which can stimulate tumor growth via the secretion of HGF. In parallel, we determined the structure and function of the pks-encoded protein ClbP. The results show that ClbP is an active serine peptidase, whose active site is extracytoplasmic and essential to the biological activity of pks island. "Drug-like" inhibitors of ClbP were identified using structural, biochemical, cellular and microbiological approaches. These molecules bind to the active site of ClbP with nanomolar affinity and block the genotoxic and pro-tumoral activities of colibactin-producing E. coli. ClbP is therefore a potential therapeutic target to block the deleterious effects of bacteria-producing colibactin.

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Depuis une vingtaine d’années, l’utilisation massive des antibiotiques a provoqué l’apparition de souches bactériennes résistantes contre la plupart des familles d’antibiotiques disponibles sur le marché pharmaceutique. L’apparition de souches multirésistantes voire totorésistantes notamment dans le milieu hospitalier, pose de manière croissante des difficultés thérapeutiques et constitue un grave problème de santé publique. Lors de mon doctorat, deux approches ont été abordées.La première approche consiste à inhiber les enzymes DapF et MurE impliquées dans la voie de biosynthèse du peptidoglycane, composant principal de la paroi des cellules bactériennes. Nous avons donc préparé des acides aminés comportant des groupes fonctionnels triazolyle ou alcynyle, analogues stériquement contraints de l’acide 2,6-diaminopimélique (méso-DAP).La deuxième approche développée au laboratoire repose sur le développement d’adjuvants d’antibiotiques, permettant de cibler spécifiquement les protéines responsables des mécanismes de résistances (Histidines kinases, HKs). Ce travail a permis l’obtention de trente-trois molécules dérivées du thiophène, dont huit présentent une activité biologique contre trois HKs différentes (1,63 < CI50 (μM) < 243,9). De plus, sur les huit molécules biologiquement actives, deux ont présenté une inhibition de la croissance bactérienne contre des bactéries à gram-positif et/ou à gram-négatif (B. subtilis, S. aureus, B. anthracis, E. coli…) et une restaure la sensibilité de souches bactériennes (E. coli productrice de β-lactamases à spectre large (BLSE) et S. aureus résistant à la méticilline (SARM)) à l’antibiotique approprié (céfotaxime). / Over the two past decades, the massive use of antibiotics has led to the emergence of resistant bacterial strains against most families of antibiotics available on the pharmaceutical market. The emergence of multiresistant and totoresistant bacterial strains particularly in hospitals, which create increasing problem in the development of new therapeutics and constitutes serious public health threat problems. During my PhD, two approaches were discussed.The first approach of this project consist in targeting the DapF and MurE enzymes, which are implicated in the biochemical pathway for peptidoglycan biosynthesis, a key component of the bacterial cell wall. Consequently, we prepared amino acids derivatives with triazolyl and alkynyl groups, sterically hindered analogs of 2,6-diaminopimelic acid (meso-DAP).The second approach is the development of antibiotic adjuvants, to target specific proteins implicated in the development of bacterial resistance mechanisms (Histidine kinases, HKs). This work has enabled the development of thirty-three thiophene derivatives, eight of them have biological activity against three HKs (1.63 < IC50 (μM) < 243.9). In addition, among the eight molecules with biological activity, two of them present inhibition of bacterial growth (bactericide) against both gram-positive and/or gram-negative bacteria (B. subtilis, S. aureus, B. anthracis, E. coli…) and one of them restores the sensibility of bacterial strains (E. coli producing extended spectrum of β-lactamases (ESBL) and S. aureus resistant to methicillin (MRSA)) to the appropriate antibiotic (cefotaxim).

Les maladies à tiques posent un problème majeur que se soit du point de vue de la santé animale ou de la santé humaine. Parmi ces pathologies, la borréliose de Lyme est la maladie à transmission vectorielle la plus fréquente de l’Hémisphère Nord et, en France, l’Alsace représente l’une des régions avec la plus forte incidence. Ce travail de thèse a eu pour objectif d’évaluer les densités en nymphes ainsi que les taux d’infection à Borrelia burgdorferi sl et Anaplasma phagocytophilum dans cette région. Nous avons comparé nos résultats à ceux établis dans cette même région en 2003 et 2004. De plus nous avons étudié les facteurs environnementaux potentiellement responsables de la variabilité inter-site de la densité en nymphes et également cartographié le risque de borréliose de Lyme en Alsace. Notre travail, qui pour l’instant a été conduit en Alsace, tend à s’étendre à d’autres régions de France. Il nous paraît pertinent de poursuivre les études de terrains sur certains sites pris en compte dans ce travail de façon à objectiver les tendances observées dans notre région. / Vector-borne diseases are today a major threat for human and animal health. Among those diseases, Lyme borreliosis is the most frequent vector-borne disease occurring in the Northern hemisphere, and the numbers of humans affected have been increasing in some parts of the world. In France, Lyme borreliosis is endemic to several regions including the Alsace region.The aim of this work was to investigate nymph densities and infection prevalence of Borrelia burgdoferi sl and Anaplasma phagocytophilum in this region. We compared our results to those obtained by Ferquel et al. in 2003 and 2004. We studied environmental factors involved in inter-site nymph density variability and mapped Lyme borreliosis nymph density in Alsace.For instance our work that has been conducted in Alsace, is now extended in other region of France. It will be interesting to validate our results with data from other area.

Legionella pneumophila est un pathogène opportuniste avec un cycle de vie intracellulaire obligatoire, ils arrivent à se répliquer dans leurs cellules hôtes comme des protozoaires, en exploitant les protéines et les voies de signalisation de l’organisme infecté pour échapper à sa réponse immunitaire. L. pneumophila est décrite comme un organisme sans oscillations circadiennes, pourtant elle possède des gènes homologues aux gènes circadiennes kaiBC de cyanobactéries. En appliquant un système d’infections in vitro et in vivo ainsi qu’une approche de génomique comparative et fonctionnelle sur l’ organisme modèle Legionella pneumophila mon projet a pour objectif de caractériser le rôle des gènes kaiBC de L. pneumophila. Les protéines KaiABC de cyanobactéries encodent un oscillateur circadien permettant la coordination et l’optimisation temporelle de divers processus biologiques ainsi que l’adaptation aux fluctuations quotidiennes (comme la production d’oxygène via la photosynthèse pendant le jour et la fixation d’azote dans l’obscurité). Notre étude montre que kaiC, kaiB, avec le lpp1114 (codant pour une protéine à plusieurs domaines), l’ensemble constitue une unité transcriptionnelle sous la commande du facteur sigma RpoS. Les souches mutantes de l'opéron kai affichent une haute sensibilité sous conditions de stress par le paraquat ou le sel en comparaison avec la souche sauvage. En effect, nos données provenant d’une expérience utilisant des systèmes de double hybride suggèrent que les proteines KaiC et KaiB de L. pneumophila n’interagissent pas comme ceux de cyanobactéries. Cependant, une version étendue de L. pneumophila KaiB contenant des résidus de C-terminal de T. elongatus est capable d’interagir avec KaiC. Nous démontrons aussi que la structure cristalline de KaiB de L. pneumophila révèle un pliage pareil a ceux de thiorédoxine (protéine d'oxydoréduction) mais manque les résidus de l'extrémité C-terminale important pour l'interaction avec KaiC. En revanche, L. pneumophila KaiC conserve l'activité d'autophosphorylation, mais KaiB ne declénche pas la phosphorylation de KaiC comme chez les cyanobacteries. L'analyse phylogénétique des protéines de Kai indique qu'elles ont été transférés à L. pneumophila et ont évolué de Synechosystis KaiC2B2 et pas du copie circadienne KaiB1C1. Il semble que les protéines Kai de L. pneumophila améliorent son adaptation à des conditions stressantes et aux changements environnementaux. / Legionella pneumophila is an opportunistic pathogen with an intracellular life cycle that uses aquatic protozoa as replication niche and protection from harsh environments. Although L. pneumophila is not known to have a circadian clock, it encodes homologues of the KaiBC proteins of Cyanobacteria that regulate circadian gene expression. By using a wide range of in vitro, in vivo and in silico approaches I characterized the KaiB and KaiC proteins of L. pneumophila The proteins KaiABC of cyanobacteria coordinate a circadian oscillator that regulates many physiological functions in the cells according to the day and the night time induce by the rotation of the Earth (e.g. they do photosynthesis during the day and nitrogen fixation during the night). We show that L. pneumophila kaiB, kaiC and the downstream gene lpp1114, are transcribed as a unit under the control of the stress sigma factor RpoS. Mutant analyses revealed that the kai operon-encoded proteins increase fitness of L. pneumophila in competitive environments, and confer higher resistance to oxidative and sodium stress. Indeed, KaiC and KaiB of L. pneumophila do not interact as evidenced by yeast and bacterial two- hybrid analyses. Fusion of the C-terminal residues of cyanobacterial KaiB to Legionella KaiB restores their interaction. The crystal structure of L. pneumophila KaiB suggests that it is an oxidoreductase-like protein with a typical thioredoxin fold. In contrast, KaiC of L. pneumophila conserved autophosphorylation activity, but KaiB does not trigger the dephosphorylation of KaiC like in Cyanobacteria. The phylogenetic analysis indicates that L. pneumophila KaiBC resemble Synechosystis KaiC2B2 and not the circadian KaiB1C1 copy. Thus, the L. pneumophila Kai proteins do not encode a circadian clock, but enhance stress resistance and adaption to changes in the environments.

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Notre travail montre la prédominance du clone « Lyon » parmi les souches de Staphylococcus aureus responsables d’infections invasives (i.e. bactériémies). Il est caractérisé par la présence du gène codant la «staphylococcal enterotoxin » (SE) A. Afin de mieux comprendre le lien éventuel entre la prédominance de la SEA et la gravité des infections induites, nous avons orienté nos travaux sur le versant immuno‐inflammatoire des SE. L’étude des répertoires Vβ induits par l’ensemble des SE s’est révélée peu discriminante. A l’aide d’approches génomiques et protéiques réalisées sur des lymphocytes et monocytes humains, nous avons observé le puissant potentiel inflammatoire de la SEA en particulier par rapport à la SEG (SE appartenant à l’opéron egc retrouvé dans les infections de faible sévérité) et la prédominance de la réponse lymphocytaire T. Enfin, afin de mieux comprendre la spécificité des effets observés, nous avons conduit des expériences sur lymphocytes purifiés en ciblant les Ly T effecteurs (CD4+CD25‐) et Ly T régulateurs (CD4+CD25+FOXP3+). Nos travaux ont confirmé l’induction par la SEA d’une forte réponse inflammatoire, associant une synthèse de cytokines de type Th1 et Th17 dans les deux lignées lymphocytaires. De plus, nos résultats suggèrent que les SE provoquent une perte des fonctions suppressives des Ly T régulateurs ouvrant de nouvelles perspectives quant à l’implication des SAgs dans de nombreuses situations cliniques en particulier le choc septique, et les infections chroniques / Our work shows the prevalence of the “Lyon” clone among Staphylococcus aureus strains responsible for severe systemic infections (i.e. bacteremia). This clone is characterized by the presence of the staphylococcal enterotoxin (SE) A coding gene. To better understand the possible link between the prevalence of SEA and the severity of infections, we focused our work on the immuno inflammatory responses of SE. By using genomic and protein studies, in human lymphocytes and monocytes, we observed the potent inflammatory property of SEA (especially in comparison with SEG ‐ belonging to the egc cluster mainly found in less severe infections) mainly targeting T cell response over monocytes. Finally, to better understand the specificity of these effects, we performed experiments on purified lymphocytes and targeted effectors (CD4+CD25‐) and regulatory T lymphocytes (CD4+CD25+FOXP3+). Our works confirmed the induction by SEA of a strong inflammatory response, characterized by the release of Th1 and Th17 cytokines in both lymphocyte lineages. Furthermore, our results also showed the loss of the regulatory T cell suppressive functions after SE stimulation. Collectively, these results offer new perspectives for the implication of the SAgs in numerous clinical situations in particular toxic shock and the chronic infections.

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S. aureus est un pathogène humain qui produit une grande variété de facteurs de virulence, dont la leucocidine de Panton Valentine. Cette toxine est à l’origine de symptomatologies potentiellement sévères telles que la pneumonie nécrosante et l’ostéomyélite compliquée récidivante. Malgré la faible prévalence des gènes de la PVL au sein de souches de S. aureus, nous assistons à une émergence et à une diffusion de souches S. aureus résistantes à la méticilline d’origine communautaire (SARM-C) produisant la PVL. Bien que hautement conservée au sein de différents génomes, la PVL produite par les souches SARM-C américaines USA300 porte une substitution His176Arg avec un impact potentiel sur la fonctionnalité de la PVL. Nous avons étudié la distribution de ce polymorphisme au sein d’une sélection de souches SARM-C isolées de divers continents et nous avons confirmé le rôle leucotoxique de la PVL envers les neutrophiles humains quel que soit le fond génétique de la souche d’origine. Nous avons mis au point un modèle expérimental de lapin afin d’étudier le rôle de la PVL secrétée par la souche USA300 dans la pathogenèse de l’ostéomyélite. La PVL s’est révélée être un déterminant de la gravité de la maladie en termes de persistance et extension de l’infection, ainsi que d’amplitude de la réaction inflammatoire. Dès lors que nous avons conforté le rôle pathogène de la PVL, nous avons exploré l’effet des antibiotiques sur l’expression de la leucocidine. Nous avons observé après traitement avec l’oxacilline et l’imipénème une augmentation de la production de PVL. Cette augmentation est le résultat d’une activation transcriptionnelle des gènes de la PVL, activation médiée par les protéines liant la pénicilline et des régulateurs de la virulence staphylococcique, sarA et rot. D’autres antibiotiques la clindamycine, le linézolide et la rifampicine exercent un effet inhibiteur sur la production de PVL et bloquent l’induction de toxine par les bêta-lactamines. Sur la base de ces observations, nous recommandons pour le traitement des infections sévères à S. aureus producteur de PVL l’utilisation de l’oxacilline en association avec la clindamycine ou la rifampicine pour S. aureus sensible à la méticilline et du linézolide pour le SARM. / S. aureus is a human pathogen producing a large variety of virulence factors such as the Panton Valentine leukocidin (PVL). This toxin has been epidemiologically related to severe diseases such as necrotising pneumonia and recurrent osteomyelitis. The world wide spreading of PVL producing community acquired methicillin resistant S. aureus (CA-MRSA) has been reported. Although highly preserved within various genomes, the sequence of PVL produced by the american CA-MRSA strain USA300 carries a His176Arg substitution with a potential impact on the functionality of the leukocidin. We studied the distribution of this polymorphism within a selection of CA-MRSA strains isolated from various continents and we confirmed PVL toxicity towards human neutrophiles regardless to the genetic background of the harboring strain. We used an experimental rabbit model in order to study the relevancy of USA300 secreted PVL in the pathogenesis of osteomyelitis. We showed that PVL is a determinant of disease severity in terms of persistence and extension of the infection, as well as amplitude of the inflammatory reaction. We investigated the effect of antibiotics on the expression of the leukocidin. We observed increase PVL production after oxacilline and imipenem treatment. This was the consequence of trascriptional activation of PVL genes, mediated by penicillin binding proteins and S. aureus virulence regulators sarA and rot. Other antibiotics such as clindamycin, linezolid and rifampicin decreased PVL production and suppressed the inductor effect of beta-lactams. Based on these observations, we recommend for the treatment of the severe PVL induced diseases the use of oxacillin associated with either clindamycin or rifampicin for methicillin susceptible S. aureus or linezolid for MRSA.