Synthèse de la carrière

Mycobacterium tuberculosis (M.tb) l'agent étiologique de la tuberculose infecte un tiers de la population mondiale avec 9 millions de nouveaux cas et 1.5 millions de décès chaque année. La capacité de la bactérie à persister dans son hôte ainsi que l'apparition croissante de souches multi-résistantes voire totalement résistantes expliquent ces statistiques dramatiques. La découverte de nouveaux traitements à travers une meilleure connaissance de la physiologie et des programmes génétiques adaptatifs du pathogène est donc une priorité mondiale. M.tb est un bacille à Gram+ avec une enveloppe particulière caractérisée par une membrane externe (la mycomembrane) essentielle à sa viabilité et sa virulence. Cette membrane est constituée majoritairement d'acides mycoliques (AMs), des acides gras à très longues chaînes modifiés par l'introduction de groupements fonctionnels. Bien qu'à ce jour la biosynthèse des AMs est relativement bien caractérisée d'un point de vue biochimique, certaines données nécessitent d'être confirmées in vivo, de même qu'il existe peu d'information sur la régulation et la contribution des gènes de biosynthèse à la capacité adaptative des mycobactéries. Une trentaine de gènes sont impliqués dans la biosynthèse des AMs dont hadA, hadB et hadC codant pour une réaction de déshydratation essentielle. Il a été démontré biochimiquement que HadB porte l'activité catalytique et que HadA et HadC apportent la spécificité de substrats. Au cours de ma thèse, par une approche génétique, nous avons montré que seule HadB était essentielle à la viabilité mais que HadA et HadC bien que non essentielles jouaient un rôle majeur dans la physiologie, la capacité adaptative et la virulence des mycobactéries, en relation avec leur rôle dans la structure des AMs. Ces résultats avaient non seulement confirmé les données biochimiques quant au rôle de HadC dans la biosynthèse des AMs, mais également souligné l'intérêt d'une stratégie de lutte basée sur l'affaiblissement du fitness de M.tb, rendant ainsi le pathogène plus sensible aux traitements déjà existants ainsi qu'aux défenses naturelles de l'hôte. Une analyse phylogénétique couplée à une analyse expérimentale de l'expression des gènes nous a permis de retracer et de rationaliser le scénario évolutif qui a façonné le locus hadABC. En accord avec l'organisation génétique, j'ai ainsi montré que la carence en nutriments, un stress rencontré par la bactérie lors de l'infection, conduisait à la co-répression des gènes hadABC ainsi que de la plupart des gènes de biosynthèse des AMs avec des gènes impliqués dans le processus de traduction. Le potentiel de traduction est connu pour être contrôlé par la disponibilité en nutriments, à travers notamment la réponse stringente, une réponse adaptative universellement conservée chez les bactéries. Suite à ces résultats, un modèle a été proposé selon lequel au cours de la réponse stringente, les intermédiaires de synthèse des AMs, seraient détournés au profit de la synthèse de lipides alternatifs dont des lipides de stockage. L'analyse phylogénétique a également suggéré une relation fonctionnelle étroite entre l'activité des enzymes HadABC et des enzymes responsables de la modification des AMs. Afin d'avoir une vision intégrée de la régulation de la synthèse de la mycomembrane, nous avons analysé le rôle biologique du gène rv0081 codant pour un facteur de transcription global. Différentes approches systémiques suggéraient que Rv0081 jouerait un rôle central dans la capacité adaptative de M.tb en régulant de nombreux gènes impliqués dans différentes fonctions cellulaires dont les gènes hadABC. J'ai pu montrer qu'un mutant rv0081 était hypervirulent et que l'absence d'une régulation naturelle du gène affectait la capacité de survie de la bactérie à l'intérieur des macrophages. / Mycobacterium tuberculosis (M.tb), the causative agent of tuberculosis infects one third of the world population with 9 million new cases and 1.5 million deaths each year. The capability of the bacteria to persist in its host and the emergence of multi- and totally-drug resistant strains explain these dramatic statistics. Therefore, the discovery of new drugs through a better understanding of the physiology and of the adaptive genetic programs of the pathogen is a priority. Mtb is a Gram + bacilli with an unusual cell envelope characterized by an outer membrane (the mycomembrane) essential to its viability and virulence. This membrane is mainly composed of mycolic acids (MAs), a class of very long chain fatty acids which are modified by the introduction of functional groups. To date the biosynthesis of MAs is biochemically well characterized, but some data need to be confirmed in vivo, likewise there is little information about the regulation and the contribution of biosynthesis genes in the adaptive capacity of mycobacteria. Around thirty genes are involved in the biosynthesis of MAs including hadA, hadB and hadC which are required for an essential dehydration reaction. It has been shown biochemically that HadB bears the catalytic activity and that HadA and HadC bring about the substrate specificity. In this study, using a genetic approach, we have shown that only HadB was essential to the viability but that the non-essential HadA and HadC proteins played a major role in the physiology, the adaptive capacity and the virulence of mycobacteria. These results have not only confirmed the biochemical data on the role of HadC in the biosynthesis of MAs, but have also underlined the relevance of a strategy based on weakening the fitness of Mtb, making the pathogen more susceptible to existing therapy as well as to the natural host defenses. Phylogenetic and experimental analyses of gene expression allowed us to rationalize the evolutionary scenario that has shaped the hadABC locus. In agreement with the genetic organization, I have shown that starvation, a stress experienced by the bacterium upon infection, resulted into the co-repression of the genes hadABC as well as most of the MAs biosynthetic genes with genes involved in the translation process. The translation potential is known to be controlled by nutrient avaibility, especially through the stringent response, an adaptive response widely conserved in bacteria. Following these results a model was proposed stating that during the stringent response, the MAs intermediate products would be redirected toward the synthesis of alternate lipids including storage lipids. Phylogenetic analysis also suggested a close functional relationship between the activity of HadABC proteins and the enzymes involved in the modification of MAs. In order to get an integrated picture of the regulation of the biosynthesis of the mycomembrane, we analyzed the biological role of rv0081, a gene encoding a transcription factor. Various comprehensive approaches suggested that Rv0081 plays a key role in M.tb adaptive capacity through the regulation of many genes involved in various cellular functions including the hadABC genes. In my PhD work I have shown that an rv0081 deleted strain was hypervirulent and that the inability of the bacteria to properly regulate the gene had prevented the bacteria to survive within macrophages.

La recrudescence de la tuberculose et l'apparition des souches de Mycobacterium tuberculosis (Mtb) résistantes aux antibiotiques souligne la nécessité de rechercher de nouveaux antituberculeux avec de nouveaux mécanismes d'action. Les mycobactéries possèdent une membrane externe (appelée aussi mycomembrane), très riche en lipides qui leur confère une imperméabilité remarquable. Les constituants majeurs de la mycomembrane sont des acides gras originaux et à très longue chaine, appelés acides mycoliques (AMs). La biosynthèse de ces AMs est essentielle à la croissance mycobactérienne et comporte des enzymes-clefs, dont nombreuses ont été validées comme des cibles prometteuses pour la recherche de nouveaux antituberculeux. Parmi elles, FadD32, une Fatty-acyl AMP Ligase impliquée dans l'étape ultime de cette voie de biosynthèse. Si les propriétés physico-chimiques de l'enzyme ont été caractérisées, la régulation de l'activité de cette enzyme essentielle reste encore à découvrir. La première partie de cette thèse porte sur la mise en évidence de la régulation post-traductionnelle par phosphorylation de FadD32 par des Sérine/Thréonine Protéine Kinases (STPKs) de type eucaryote. Nous avons montré que FadD32 pouvait être phosphorylée in vitro par plusieurs STPKs de Mtb. Cette phosphorylation réversible module négativement l'activité de la protéine, comme démontré pour d'autres protéines de la voie de biosynthèse des AMs. Afin de mieux comprendre l'impact de la phosphorylation par STPK sur la production des AMs et sur la synthèse de la mycomembrane, nous avons surexprimé une STPK de Mtb chez M. smegmatis, espèce modèle des mycobactéries. Nous avons pu observer un changement significatif de la quantité des AMs. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons optimisé et réalisé le criblage biochimique d'une chimiothèque sur l'activité de FadD32 et avons identifié des touches qui devraient servir dans la recherche de nouveaux agents antituberculeux. / The resurgence of tuberculosis (TB), together with the emergence of drug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis (Mtb), highlights the need for new anti-TB drugs with novel mechanisms of action. Mycobacteria possess an outer membrane (also called mycomembrane), which confers to them a remarkably impermeable cell envelope. The major constituents of the mycomembrane are very long-chain fatty acids with original structures, the so-called mycolic acids (MAs). The biosynthesis of MAs is essential for mycobacterial growth and involves several key enzymes, many of which have been validated as promising anti-TB drug targets. Among them, FadD32, a Fatty-acyl AMP Ligase implicated in the last step of the biosynthesis pathway, has been characterized biochemically and its protein structure has been solved recently. However, the regulation aspect of the enzyme is still to be deciphered. The first part of the thesis focuses on the post-translational regulation by protein phosphorylation of FadD32 by eukaryotic-like Serine/Threonine Protein Kinases (STPKs). We showed that FadD32 is the substrate of several Mtb STPKs. The reversible phosphorylation negatively modulates the adenylation activity of the protein. In order to determine the impact of the post-translational regulation on MA production, we over-expressed a STPK of Mtb in M. smegmatis, a validated surrogate of Mtb. We observed a significant change in the amounts of MAs. In the second part of the thesis, we screened a chemical library against FadD32 and identified several hits that should help in the development of new anti-TB agents.

Mycobacterium abscessus est une mycobactérie à croissance rapide qui a récemment émergé en tant que pathogène opportuniste, en particulier chez les patients atteints de mucoviscidose. Elle est naturellement résistante aux antibiotiques les plus couramment disponibles, limitant sérieusement les options thérapeutiques chez les patients infectés. Il apparaît donc urgent d’identifier et de caractériser de nouvelles cibles d’intérêt thérapeutique dans la lutte contre ce pathogène. Contrairement au variant lisse (S) de M. abscessus, caractérisé par une forte production de glycopeptidolipides (GPL), le variant rugueux (R) associé à une faible production de GPL est responsable des manifestations cliniques les plus sévères. Chez l’embryon de poisson zèbre, le variant R s’accompagne d’une virulence accrue avec formation de cordes mycobactériennes extracellulaires et d’abcès, engendrant une mortalité rapide des larves infectées. Les mécanismes moléculaires de la pathogénicité de M. abscessus demeurent toutefois très peu connus.Dans cette étude, nous avons identifié le gène MAB_4780, codant une déshydratase distincte du complexe HadABC impliqué dans la biosynthèse des acides mycoliques. Le gène MAB_4780, tout comme son homologue chez M. smegmatis, MSMEG_6754, ont été identifiés comme responsables de la résistance innée de ces deux espèces au thiacetazone (TAC), un agent antituberculeux de seconde intention. Nous avons inactivé le gène MAB_4780 dans le variant R de M. abscessus, ce qui a entraîné une modification de la composition en acides mycoliques, un défaut de formation des cordes mycobactériennes ainsi qu'un phénotype extrêmement atténué chez les embryons de poisson zèbre. L'atténuation in vivo du mutant MAB_4780 qui résulte très vraisemblablement de l’incapacité i) à former des cordes et ii) à inhiber la fusion phagolysosomale, s’accompagne d’une croissance intracellulaire diminuée. En outre, le mutant MAB_4780, tout comme le mutant de M. smegmatis dépourvu de MSMEG_6754, présente une croissance altérée dans l’amibe, qui représente un réservoir pour les mycobactéries environnementales. Ces résultats reflètent le rôle crucial de cette nouvelle déshydratase dans la survie de M. abscessus dans son environnement et dans l'établissement d'infections aiguës et létales. Par conséquent, cibler MAB_4780 pourrait représenter une stratégie particulièrement prometteuse pour contrôler les infections à M. abscessus. De futures études seront consacrées à l'identification d’inhibiteurs spécifiques de MAB_4780, grâce au développement d’un test d’activité et d’une structure cristalline de la protéine obtenue à très haute résolution.Nous avons également criblé contre M. abscessus une chimiothèque d’analogues structuraux du TAC, préalablement validés pour leur activité inhibitrice de la déshydratase HadABC de Mycobacterium tuberculosis. Trois d’entre eux ont montré une efficacité accrue d’un facteur 50 par rapport à la molécule parentale. La surexpression d’EthA, l’activateur du TAC, augmente la susceptibilité de M. abscessus à ces trois analogues. Ces résultats suggèrent que leur mode d'activation est similaire à celle de la TAC et indiquent que l'optimisation d’analogues du TAC pourrait conduire à une nouvelle génération de composés plus efficaces pour le traitement de M. abscessus. Des études de relations structure/activité sont envisagées afin d’améliorer l’efficacité et les propriétés pharmacologiques des analogues du TAC. / Mycobacterium abscessus, a rapidly-growing mycobacterium (RGM), has emerged in recent years as an important opportunistic pathogen especially in cystic fibrosis (CF) patients. M. abscessus is naturally resistant to most commonly available antibiotics, which seriously limits the treatment options, emphasizing the urgent need for more efficient drugs and innovative therapeutic strategies to combat M. abscessus infections. The M. abscessus rough (R) low-glycopeptidolipids (GPL) producer is responsible for more severe clinical infections than the smooth (S) high-GPL producer, and is associated with increased virulence in zebrafish, including the formation of massive serpentine cords, abscesses, and rapid larval death. However, the molecular mechanisms responsible for the pathogenicity of the R strains remain elusive.Herein, we identified a novel gene, MAB_4780, encoding a dehydratase distinct from the HadABC complex, known to participate in mycolic acid biosynthesis. Both MAB_4780 and its homologue in Mycobacterium smegmatis, MSMEG_6754, are responsible for the innate resistance in these species to thiacetazone (TAC), a second-line antitubercular drug. The successful deletion of MABS_4780 in the R variant of M. abscessus resulted in an altered mycolic acid composition, a pronounced defect in cording, and an extremely attenuated phenotype in zebrafish embryos. The in vivo attenuation of the MAB_4780 mutant results from both the deficiency in cord formation and the impaired intracellular growth, presumably due to limited inhibition of the phagolysosomal fusion events. In addition, similarly to the MSMEG_6754 deletion mutant, the MAB_4780 mutant showed impaired growth in amoeba, which represents a possible reservoir for environmental mycobacteria. These results reflect the critical role of this new dehydratase in the survival of M. abscessus in its environmental hosts and its importance in establishing acute and lethal infections. Therefore, targeting MAB_4780 may represent a promising strategy to control M. abscessus infections. Future work will focus on identifying specific inhibitors targeting MAB_4780, which could greatly benefit from the combination of our dehydratase assay and our high-resolution crystal structure of the protein.We have also screened against M. abscessus a library of TAC analogues, previously validated for their inhibitory effects against the Mycobacterium tuberculosis HadABC dehydratase. Among these compounds, three exhibited a 50-fold increased potency as compared to TAC. Overexpression of EthA, known as the activator of TAC, increased the susceptibility of M. abscesuss to the three analogues, suggesting that that their mode of activation is similar to that of TAC. Overall, these data indicate that optimizing the TAC scaffold may lead to more efficient compounds against M. abscessus. Additional structure/activity relationship studies are required to further improve the efficacy and pharmacological properties of TAC analogues.