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).

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.

Résumé confidentiel / Confidential abstract

Résumé confidentiel / Confidential abstract

La leptospirose, due aux bactéries Leptospira interrogans ou leptospires, est une zoonose ré-émergente de répartition mondiale et susceptible de se répandre en France en raison du réchauffement climatique. Les rongeurs, en particulier les rats, sont le réservoir asymptomatique des leptospires. Chez l’Homme, l’infection conduit soit à un syndrome pseudo-grippal bénin, soit à la maladie de Weil, qui se traduit par des déficiences hépatiques, rénales et pulmonaires sévères pouvant entraîner la mort. Le laboratoire a montré que les leptospires échappent à la détection par certains récepteurs de l’immunité innée de la famille des Toll-like (TLR). En effet, le lipopolysaccharide (LPS) des leptospires – composant majeur de la membrane externe – est atypique et n’est pas reconnu par le TLR4 humain, contrairement au LPS de la plupart des bactéries à Gram négatif. Cependant chez la souris, le LPS des leptospires est reconnu par le TLR4 et permet une élimination de la bactérie. Au cours de cette thèse, nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme d’échappement des leptospires à la reconnaissance par les récepteurs de l’immunité innée Nod1 et Nod2, reconnaissant les fragments de dégradation du peptidoglycane bactérien, appelés muropeptides. Nous avons montré que la liaison au PG d’une lipoprotéine, la LipL21, spécifique de la membrane externe des leptospires, bloque la digestion en muropeptides et permet ainsi l’échappement des leptospires à la reconnaissance par les récepteurs Nods. Ceci constitue une nouvelle stratégie bactérienne d’échappement au système immunitaire inné. En effet, jusqu’alors seules des modifications des sucres ou de la chaîne peptidique du peptidoglycane entraînant le blocage de la reconnaissance par les récepteurs Nods avaient été mis en évidence. Par ailleurs, nous avons développé – grâce à la construction d’une souche de leptospires pathogènes bioluminescents – un nouveau modèle d’étude de la leptospirose aiguë et chronique chez la souris, qui à l’instar des rats et contrairement à ce que l’on pensait, est un porteur asymptomatique et chronique des leptospires dans les reins. Ce modèle biphasique de la leptospirose nous a permis de mettre en évidence que les leptospires sont protégés de l’action des antibiotiques lorsqu’ils sont dans les reins, alors qu’ils y sont sensibles lors de la phase aiguë. Ces résultats suggèrent deux mécanismes différents participant à l’échappement des leptospires au système immunitaire de l’hôte : d’une part, la lipoprotéine LipL21 joue un rôle dans le blocage de la reconnaissance du peptidoglycane par les récepteurs Nods et d’autre part, les leptospires échappent aux défenses de l'hôte par la colonisation rénale chez la souris. / Leptospirosis is a widespread zoonosis caused by the bacterium Leptospira interrogans (L interrogans). In humans, infection with L. interrogans can cause either a mild disease or in more severe cases, multi-organ failure potentially leading to death. Leptospires escape from the innate immune response by evading detection by Toll-like receptors (TLR). Indeed, the lipopolysaccharide (LPS) outer membrane component of Leptospira is atypical as, unlike most Gram-negative bacteria, it is not recognized by human TLR4. However, leptospiral LPS is recognized by murine TLR4, facilitating clearance of leptospires in mice. During my doctoral thesis, we revealed a new mechanism of leptospiral escape from recognition by Nod1 and Nod2 innate immune receptors. We have shown that a specific leptospiral outer membrane lipoprotein, LipL21, impairs muropeptides digestion and therefore avoids activation of Nod1 and Nod2 receptor-mediated pathways. This constitutes a new strategy of bacterial escape from Nod1 and Nod2 receptor recognition. Indeed, until now, only modification of the peptidoglycan sugar or peptide side-chain chemistry was shown to participate in evasion of Nod receptor recognition. Furthermore, through the construction of a bioluminescent pathogenic Leptospira strain, we were able to develop a new murine model to study acute and chronic leptospirosis. We found that, after the acute phase of leptospirosis, infected mice become asymptomatic, but exhibit chronic carriage of Leptospira in the kidneys, as in rat models of leptospirosis. This biphasic leptospirosis model allows us to highlight leptospiral renal colonization as a stealth escape strategy from the blood defenses and antibiotics. Our results reveal two new mechanisms that contribute to leptospiral escape from the host immune system: on one hand, LipL21 lipoprotein plays a role by facilitating evasion of peptidoglycan recognition through Nod1 and Nod2 receptors, and on the other hand, leptospires escape from host defenses by colonising a renal niche in mice. Together, these findings provide novel insight into the ability of Leptospira to cause serious and chronic morbidity in humans.

L’identification des micro-organismes reposait jusqu’à présent sur l’étude des caractères culturaux et biochimiques de chaque espèce. Depuis quelques années, la spectrométrie de masse de type Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time Of Flight (MALDI-TOF) s’est développée dans les laboratoires de microbiologie clinique. Cette nouvelle technologie permet de réaliser très rapidement et à moindre coût un diagnostic d’espèce sur des colonies de bactéries ou de champignons isolées sur des milieux de culture solides.Dans un premier temps, nous avons montré que cette technologie permet de réaliser une identification des germes isolés en milieu liquide, comme les flacons d’hémoculture au cours des bactériémies par exemple. Ce dépistage se fait directement à partir du flacon positif, sans attendre l’isolement des colonies sur milieu solide. Ce diagnostic disponible dès le premier jour permet d’adapter l’antibiothérapie au phénotype de résistance habituel de l’espèce.Dans un deuxième temps, nous avons cherché à identifier la nature des biomarqueurs utilisés pour l’identification des espèces bactériennes, en prenant comme exemple la bactérie pathogène Neisseria meningitidis. La comparaison du génome et du protéome des souches entièrement séquencées a permis de mettre en évidence la nature exacte des protéines impliquées dans le diagnostic d’espèce. Par ailleurs, les protéines ribosomales étant majoritaires et pouvant servir d’outil épidémiologique, nous avons constaté que la mise en évidence de leurs variations sur le spectre de masse rend la différenciation de souches au sein d’une même espèce possible, en adaptant la méthode d’analyse. Enfin, nous avons présenté des résultats préliminaires encourageants sur l’exploitation du caractère constant de certaines protéines ribosomales visibles directement sur le spectre de masse, permettant de différencier des espèces très proches, comme Streptococcus pneumoniae et Streptococcus mitis. / Until now, bacterial and fungal identification has been based on biochemical characterization of microorganisms. The Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Spectrometry (MALDI-TOF MS) has recently been developed in clinical microbiology laboratories. This new technology allows a rapid, accurate and less expensive identification of bacterial and fungal colonies grown on agar media. First, we have shown that the direct identification of bacteria grown in liquid media such as blood cultures was possible, without waiting for a subculture on solid media. Since the diagnosis is available on the first day, the presumptive antimicrobial treatment can be rapidly adapted according to the usual resistance phenotype of the microorganism. We have then searched to identify the biomarkers used for the identification of bacteria, using Neisseria meningitidis as a model. Comparing the genome and the proteome of sequenced strains allowed us to identify the ribosomal proteins as thoses involved in the MALDI-TOF MS diagnosis. Ribosomal proteins are very abundant and are very often used as epidemiological tools : their variations on the bacteria mass spectrum allows an intra-species differentiation of several strains. Finally we present encouraging preliminary results based on the detection of consistent ribosomal proteins directly visible on the mass spectrum that lead to the accurate identification of some very close species such as Streptococcus pneumoniae and Streptococcus mitis.

Streptococcus agalactiae est la première cause d’infections invasives chez le nouveau né et, malgré la mise en place de stratégies de prévention, cette bactérie reste le principal agent étiologique des infections néonatales. Les souches de séquence type 17, dites hyper-virulentes, sont particulièrement associées avec les méningites, type d’infection ayant des conséquences lourdes en terme de mortalité et morbidité. Ce clone possède des caractéristiques uniques, telle que la fixation au fibrinogène, ainsi qu’un répertoire de protéines de surface qui lui sont spécifiques. Parmi ces protéines, Srr2 appartient à une famille de larges glycoprotéines streptococcales et staphylococcales impliquées dans la pathogénicité. Un domaine central de Srr2, le domaine BR, est responsable de la fixation spécifique du fibrinogène par le clone ST-17, ainsi qu’au plasminogène et à divers composants de la matrice extracellulaire. Cette protéine promeut ainsi l’adhésion et le franchissement des barrières cellulaires. L’interaction de Srr2 avec les systèmes fibrinolytique et de coagulation de l’hôte favorise la dissémination bactérienne par l’activation de la fibrinolyse, et la persistance de la bactérie dans l’organisme par la formation d’agrégats bactériens. La liaison de Srr2 avec le fibrinogène semble également promouvoir la persistance bactérienne en favorisant l’internalisation et la survie dans les macrophages. Ainsi, la protéine Srr2 confère un avantage pour le processus infectieux du clone ST-17 dans l’hôte, et constitue une cible vaccinale intéressante pour la prévention des infections à S. agalactiae. / Streptococcus agalactiae is the leading cause of invasive infections in neonates. Despite the implementation of prevention strategies, this bacterium remains the main etiological agent of neonatal infections. Hyper-virulent sequence-type 17 strains are particularly associated with meningitis, a type of infection with serious consequences in terms of mortality and morbidity. This clone has unique characteristics, such as fibrinogen binding, and a panel of specific surface proteins. Among these proteins, Srr2 belongs to a family of large streptococcal and staphylococcal glycoproteins involved in pathogenicity. A central domain of Srr2, BR domain, is responsible for the specific binding of fibrinogen by the ST -17 clone and also binds plasminogen and various components of the extracellular matrix. Thereby, it promotes adhesion and crossing of cellular barriers. The interaction of Srr2 with fibrinolytic and coagulation systems of the host could promote bacterial spread through the activation of fibrinolysis and the persistence of the bacteria in the host by the formation of bacterial aggregates. The interaction of Srr2 with fibrinogen also seems to promote bacterial persistence in promoting the internalization and survival of the bacteria in macrophages. Thus, Srr2 confers an advantage to the infectious process of the ST- 17 clone in the host and is an attractive vaccine candidate for the prevention of S. agalactiae infections.