La tuberculose est la première cause de mortalité due à une infection par une bactérie : Mycobacterium tuberculosis. Récemment, une adhésine a été caractérisée à sa surface, son nom est HBHA (Heparin Binding Haemagglutinin). Il y a 10 ans, elle a été identifiée chez M. tuberculosis comme une adhésine majeure impliquée dans la reconnaissance des cellules épithéliales par le bacille tuberculeux via les polysaccharides sulfatés. Cette interaction aboutit à l’internalisation de la bactérie qui peut alors franchir la barrière épithéliale pulmonaire. HBHA est une protéine de 198 résidus organisés en quatre domaines : un domaine hydrophobe (résidus 12 à 36), un domaine coiled-coil (résidus 36 à 111), un domaine de liaison (111-160) et un domaine riche en lysine (ou Heparin Binding Domain, HBD) (161-198). Le HBD constitue le site autonome d’interaction entre HBHA et les polysaccharides sulfatés (ou GAGs). Il est essentiellement composé d’alanines, de prolines et de lysines arrangées en six motifs répétés. Ce domaine est mono ou di-méthylé sur les lysines. Nos études de SAXS, DLS et de CD ont mis en évidence le caractère fortement désordonné de HBHA, suggérant que celle-ci est une PID (Protéine Intrinsèquement Désordonnée). Nous avons donc entrepris d’étudier la structure de cette protéine par deux approches. Une première approche nous a permis de caractériser sa structure quaternaire en solution et dans la mycobactérie par des études de crosslinking, de gel filtration et de SAXS. Celles-ci ont montré que le degré d’oligomérisation de HBHA est plus important dans la mycobactérie qu’en solution. Nous avons également caractérisé le mécanisme d’interaction entre HBHA et les polysaccharides sulfatés par des études de RMN et de CD. Ces études ont montré que l’interaction avec les GAGs n’est pas homogène sur le domaine HBD. Celle-ci induit un réarrangement structural différent pour chaque partie du domaine. On a observé la stabilisation d’une structure plus étendue dans la première moitié du HBD et une stabilisation d’hélice alpha dans la deuxième partie. Cette étude nous a permis de mieux comprendre la spécificité de cette interaction, et nous a donné des pistes sur le rôle de cette protéine dans le tropisme bactérien. / Tuberculosis is a leading cause of mortality due to an infectious agent worldwide: Mycobacterium tuberculosis. One of the most recently characterized mycobacterial cell wall protein is the Heparin binding Haemagglutinin (HBHA). Roughly 10 years ago, it was identified in M. tuberculosis as one of the major adhesin involved in binding of mycobacteria to the epithelial cells by interaction with sulphated polysaccharides. This interaction induced internalization of M. tuberculosis in pulmonary epithelial cells leading to serious forms of disease. HBHA have 198 residues organized in four domains: a hydrophobic domain (residue 12 to 36), a coiled-coil domain (36 to 111), a linker domain (111-160) and a poly-lysine rich domain (161 to 198) (or Heparin Binding Domain, HBD) which forms the independent interaction domain between HBHA and sulphated polysaccharides. The approximately 40 amino acid residues long C-terminal domain is essentially composed of alanines, prolines and lysines, arranged in repeated motifs. This domain is mono or di methylated on the lysines in Mycobacteria, this post-traductional modification does not occur when expressing HBHA in Escherichia coli. Circular dichroïsm, DLS and SAXS studies indicated that HBHA is an IPD (Intrinsically Disordered Protein). This feature is not compatible with crystallography. Two approaches have been used in our study. In the first one, we studied the quaternary structure of HBHA by crosslink, SAXS and gel-filtration. All data showed that the oligomerization state of HBHA in mycobacteria is larger than after purification in E. coli. In the second part, we studied the binding mechanism between the HBD of HBHA and GAGs. This study was carried out by circular dichroïsm and NMR. Our data showed that the GAGs binding is not homogeneous, two specific rearrangements of the domain have been observed; GAGs binding induced a more extended structure in the first part of the HBD and induce an alpha helix stabilization in the second part. These data helped us to understand the specificity of this interaction and maybe the role of this interaction in the bacterial tropism in the host.

Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis (Map), agent étiologique de la paratuberculose, a évolué en deuxtypes dénommés, S pour« Sheep » et C pour « Cattle ». L’intestin grêle est le site primaire de l’infection à Map mais les mécanismes moléculaires impliqués dans l’implantation du bacille restent largement méconnus. L’objectif de mon projet de thèse visait à identifier et caractériser les adhésines exprimées par Map par des approches génétiques et biochimiques. J’ai ainsi purifié la HBHA et la LBP par chromatographie d’affinité puis les ai identifiés en spectrométrie de masse. L’originalité de ce travail repose sur le polymorphisme de ces adhésines observé entre les souches de type C et S. Cette variabilité a été mise en évidence sur le domaine d’interaction avec les sucres sulfatés de la cellule hôte influençant l’affinité des adhésines pour l’héparine. Ce travail de thèse a permis de caractériser pour la première fois ces deux adhésines produites par Map. Le polymorphisme de la HBHA et de la LBP, discriminant les types C et S, ouvre de nombreuses perspectives sur l’évolution de l’espèce M. avium et le rôle de ces adhésines sur le tropisme intestinal, la préférence d’hôte de Map ou encore leur potentiel diagnostic. / Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (Map), the etiological agent of paratuberculosis, has evolved into two types called, S for "Sheep" and C for "Cattle." The small intestine is the primary site of Map infection but the molecular mechanisms involved in the establishment of bacilli are still unknown. The aim of my thesis was to identify and characterize the adhesins expressed by Map by genetic and biochemical approaches. I purified HBHA and LBP by affinity chromatography then identified them by mass spectrometry. The originality of this work is based on the polymorphism of these adhesins observed between strains of type C and S. This variability has been demonstrated in the binding domain involved in interaction with sulfated sugars of host cell influences adhesins affinity for heparin. This thesis has characterized for the first time these two adhesins produced by Map. Specific polymorphism highlighted related to the evolution of the species avium, opens large number questions on their role on the pathogenesis of Map including the cellular tropism, host preference or interest of these antigens to improve diagnostic.

Depuis peu, un intérêt croissant est manifesté pour l’étude de la tuberculose pédiatrique ;les enfants constituent, en effet, une grande partie du réservoir des futurs cas de tuberculose active (TBA) maladie. Selon les estimations de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), ce réservoir est constitué par 2 milliards de personnes porteuses d’une forme latente de tuberculose (LTBI). La LTBI est définie par l’existence d’une réponse immunitaire adaptative aux antigènes de Mycobacterium tuberculosis (M.tuberculosis) en l’absence de signes cliniques de maladie. A partir de ce réservoir, 8,7 millions de nouveaux cas de TBA et 1,4 millions de décès liés à ces TBA ont été déclarés par l’OMS en 2011. On estime que la TBA pédiatrique, dont l’ampleur réelle est probablement sous-estimée, représente 9 à 12 % de tous les cas incidents. <p>Une meilleure coordination des efforts et leur augmentation à l’échelle mondiale, au cours de ces dernières années, a permis de réduire l’incidence de la TB en diagnostiquant, traitant rapidement et plus efficacement les TBA. Cette stratégie est insuffisante si l’objectif, comme défini par l’OMS à l’horizon de 2050, est d’éradiquer la TB. Il faudrait, pour cela, développer de nouvelles stratégies vaccinales pour améliorer l’efficacité du bacille Calmette et Guérin (BCG), mais également s’attaquer au réservoir de M. tuberculosis. <p>Le seul vaccin disponible, le BCG, confère une protection variable et souvent faible contre la TB pulmonaire. La stratégie, dans le développement de vaccins contre la tuberculose, est de mimer les réponses immunitaires naturelles développées par les sujets avec une LTBI puisque 90% d’entre eux sont définitivement protégés contre la maladie. Il apparaît donc important de caractériser ces réponses de l’immunité adaptative qui apparaissent lors d’une primo-infection par M. tuberculosis (avant l’état de latence) chez l’homme. L’étude de ces réponses immunitaires primaires est difficilement réalisable chez les adultes car, chez la majorité d’entre eux, les cas de TBA résultent soit d’une réactivation, soit d’une réinfection. Dans un pays à faible prévalence comme la Belgique où, par ailleurs, la vaccination par le BCG n’est pas administrée en routine, l’étude d’un « groupe modèle » constitué d’enfants exposés à M. tuberculosis est une opportunité inespérée pour caractériser la réponse immunitaire primaire spécifique. La comparaison des réponses immunitaires de primo-infection aux réponses immunitaires secondaires (enfants exposés à M. tuberculosis et précédemment vaccinés par le BCG) présente également un intérêt pour l’établissement de nouvelles stratégies vaccinales telles que le « prime-boost ». De plus, les approches vaccinales actuelles incluent préférentiellement les antigènes de la phase réplicative alors que l’ajout d’un antigène de latence pourrait induire une réponse immunitaire plus protectrice et plus complète.<p>Les réponses de l’immunité adaptative primaires ou secondaires des jeunes enfants dirigées contre les antigènes de M. tuberculosis sont relativement peu caractérisées si bien que les facteurs responsables de la grande susceptibilité des enfants à développer une infection sévère sont loin d’être complétement identifiés. Par ailleurs, au vu des difficultés diagnostiques de l’infection par M. tuberculosis chez l’enfant et, en particulier, de différentier les TBA des formes latentes, de nombreuses recherches sont menées pour tenter d’identifier des biomarqueurs qui pourraient aider à séparer ces deux phénotypes. En effet, la TBA pédiatrique est pauci-bacillaire, ce qui rend les moyens diagnostiques classiques comme la microbiologie et/ou la biologie moléculaire, tous deux dépendant de la charge mycobactérienne, peu sensibles. De plus, le diagnostic de la LTBI par le test cutané à la tuberculine (TCT)et les tests in vitro aujourd’hui commercialisés mesurant les sécrétions d’interféron-gamma (IFN-γ), les IGRA, ne sont pas suffisamment sensibles et spécifiques, surtout chez les enfants de moins de 5 ans.<p>L’étude des réponses immunitaires induites par la « Heparin-Binding Haemagglutinin » (HBHA) a été menée dans l’objectif d’améliorer la performance des techniques de laboratoire. La HBHA est une adhésine exprimée par le complexe M. tuberculosis. Elle est impliquée dans la dissémination extrapulmonaire du bacille et constitue donc un facteur de virulence. Par ailleurs, dans un modèle murin, le caractère protecteur d’une vaccination avec la HBHA contre l’infection par M. tuberculosis a également pu être démontré ;l’efficacité était comparable à celle du vaccin BCG. Si l’effet d’une telle vaccination n’a pas encore été évalué chez l’homme, l’immunogénicité de cet antigène a, par contre, pu être établie en clinique humaine. En effet, les lymphocytes circulants, isolés chez des adultes infectés par M. tuberculosis de façon latente, sécrètent plus d’IFN-γ en réponse à la HBHA que les lymphocytes des patients présen-tant une TBA non traitée. La HBHA est donc un antigène de latence puisqu’il induit une réponse immunitaire principalement pendant cette phase. De plus, la HBHA est une protéine méthylée et la méthylation s’avère essentielle pour garantir ses propriétés immuno-protectrices. <p>Nos travaux ont été orientés selon deux axes :d’une part, l’analyse des réponses immunitaires primaires et secondaires dirigées contre la HBHA comparées à celles induites par des antigènes spécifiques de M.tuberculosis connus et, d’autre part, l’exploitation de la réponse immunitaire à la HBHA ainsi qu’à d’autres antigènes spécifiques de M. tuberculosis dans le but de définir des biomarqueurs de susceptibilité et proposer de nouveaux moyens immuno-diagnostiques. <p>L’évaluation de la réponse immunitaire primaire, chez les enfants de moins de 5 ans et non vaccinés par le BCG, aux antigènes mycobactériens spécifiques démontre que la réponse IFN-γ primaire induite par la HBHA est peu élevée quantitativement chez les enfants infectés par M. tuberculosis contrairement aux réponses IFN-γ induites par les antigènes de la phase réplicative, l’ESAT-6 et le CFP-10. Cette faiblesse de la réponse immunitaire, de type TH1, vis–à-vis de la HBHA, n’est pas due à une immaturité du système immunitaire des jeunes enfants ni à un shift des réponses vers un profil cytokinique de type TH2. Elle reflète pro-bablement le phénotype clinique de l’infection affiché par ces jeunes enfants récemment infectés par M. tuberculosis qui ne sont pas encore parvenus au stade de latence. Cette faible réponse pourrait, néanmoins, constituer un biomarqueur de susceptibilité accrue à la TB des jeunes enfants. De plus, si la réponse primaire HBHA-spécifique n’est quantitativement pas différente de celle des enfants présentent une TBA ou une LTBI, elle l’est cependant qualitativement si l’on compare ces deux phénotypes cliniques. En effet, seuls les enfants «protégés» (avec une LTBI ou une TBA traitée) présentent des réponses envers des épitopes protecteurs de la forme méthylée de la HBHA. La mise en évidence de réponses contre ces épitopes de la forme méthylée pourrait donc être évaluée en tant que biomarqueur de protection. Parallèlement, l’absence ou la présence d’une telle réponse dirigée contre les épitopes de cette forme méthylée de la HBHA pourrait également permettre de différentier un enfant avec une TBA d’un enfant avec une LTBI. <p>La caractérisation de la réponse immunitaire se-condaire à la HBHA, chez les enfants infectés par M. tuberculosis et préalablement vaccinés par le BCG, a permis de démontrer que cette réponse est quantitativement plus importante si on la compare aux réponses de type primaire. <p>Puisque le caractère protecteur du BCG adminis-tré à la naissance est bien reconnu, il semblerait logique d’utiliser en priorité la HBHA dans une approche vaccinale «prime-boost », c’est-à-dire une amplification par la HBHA d’une immunité «protectrice» déjà acquise lors de l’administration du vaccin BCG dans l’enfance.<p>L’exploitation de l’analyse des réponses immuni-taires induites par les antigènes spécifiques de M. tuberculosis, l’ESAT-6, le CFP-10 et la HBHA, a ensuite permis d’établir que la réponse IFN-γ induite par la HBHA est faible chez l’enfant et non discriminante entre une TBA et une LTBI, ce qui limite l’intérêt diagnostique de la HBHA chez l’enfant contrairement à ce qui a pu être observé chez les adultes. Par contre, les résultats des tests IGRA à longue durée d’incubation utilisant l’ESAT-6 et surtout le CFP-10 comme antigènes, peuvent apporter des arguments en faveur d’une infection par M. tuberculosis chez l’enfant et être ainsi intégrés dans la triade diagnostique utilisée par les pédiatres. En effet, la mise en évidence d’une réponse IFN-γ induite par le CFP-10 très élevée est plus souvent associée à une TBA et, en combinaison avec le TCT ou la PPD-IGRA, elle a permis d’identifier, au sein du groupe d’enfants que nous avons étudié, ceux qui présentaient une TBA. <p>Les tests immuno-diagnostiques in vitro et in vivo manquent de sensibilité pour le diagnostic des TBA extra-pulmonaires. Dans ces cas particuliers, l’analyse de la réponse IFN-γ par les lymphocytes isolés directement au niveau du site d’infection apparait prometteuse chez l’enfant. Parmi les TB extra-pulmonaires, l’adénite tuberculeuse est une présentation fréquente difficile à différentier cliniquement ou radiologiquement d’une lymphadénopathie causée par une autre mycobactérie non tuberculeuse comme M.avium. Souvent, le recours à une technique d’investigation plus invasive (biopsie) est nécessaire. Nous avons développé au sein du laboratoire des tests in vitro comparant la réponse IFN-γ induite par la PPD-tuberculosis et la PPD-avium. Le ratio entre ces deux réponses permet d’orienter le clinicien dans le diagnostic différentiel entre des infections induites par l’une ou l’autre de ces deux mycobactéries et permettra peut-être à l’avenir de ne pas imposer aux patients la pratique de manœuvres chirurgicales.<p><p>En conclusion, ce travail confirme que la suscepti-bilité des jeunes enfants aux formes sévères de tuberculose n’est pas la conséquence d’un « état d’immunodéficience ». Par ailleurs, ils sont ca-pables de développer une réponse immunitaire contre la HBHA, candidat pour le développement d’un nouveau vaccin ou d’une nouvelle stratégie vaccinale contre la tuberculose. Enfin, nous avons identifié de nouveaux biomarqueurs susceptibles d’aider les pédiatres à diagnostiquer et à différencier les différentes formes que peut prendre l’infection tuberculeuse chez leurs jeunes patients. <p> / Doctorat en sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tuberculosis (TB) remains the main cause of death in people living with HIV (PLHIV). Indeed, PLHIV have a 20-30% greater risk of developing TB compared to HIV-uninfected subjects and have lower TB treatment success rates. In 2014, among the 9.6 million incident cases of TB reported worldwide, 12% occurred in PLHIV and 0.4 million deaths from HIV-associated TB were recorded.Mycobacterium tuberculosis is the main etiological agent for TB. For a majority of individuals, the immune response upon infection by M. tuberculosis is sufficient to prevent the development of disease, but insufficient to clear the bacteria. This leads to the persistence of viable M. tuberculosis in diverse cells with no resulting clinical manifestations, an entity known as latent tuberculosis infection (LTBI). The resulting reservoir of M. tuberculosis is vast, and an estimated one third of the world population is concerned. For subjects with LTBI, the life-time risk of reactivation and progression to TB lies between 5 and 10%. However, if co-infected with HIV, the risk is much greater and reaches 10% per year. According to a Cochrane review in 2010, the screening and treatment of LTBI in PLHIV reduces this risk by 30-60%. This prevention strategy is therefore widely recommended. However, the implementation of LTBI screening and treatment into standard HIV-care has been limited. In this work, three different approaches have been used to understand and address this issue, focusing on a low TB-incidence and high-income setting.The first approach was to assess the implementation of LTBI screening in HIV-care across Belgium and identify its barriers as perceived by the caregivers on the field. Raising awareness to this issue was an indirect objective of the study. A multi-choice questionnaire was sent to 55 physicians working in a Belgian AIDS reference center or satellite clinic. A response rate of 62% was obtained. Only 20% of participants performed LTBI screening on all their patients and notable variations in the screening methods used were observed. A large majority of participants were in favor of targeting LTBI screening to HIV-infected patients at highest risk of TB rather than a systematic screening of all PLHIV. These results have been communicated to the Belgian LTBI working group, currently updating the national LTBI screening guidelines. Indeed, targeting screening to those at highest risk of TB is an attractive strategy in low-TB incidence countries and is already recommended in the United Kingdom. However, to date, no score assessing the risk of TB in PLHIV has been validated. Among the barriers to LTBI screening identified by the participants of this first study, the most frequently reported were lack of sensitivity of screening tools, risk associated to polypharmacy and toxicity of treatment. Improving the sensitivity of LTBI screening was the cornerstone of the second approach. The available screening tools for LTBI are the tuberculin skin test (TST) and two Interferon-gamma release assays (IGRAs): the QuantiFERON-TB Gold-IT (QFT-GIT) and the T-SPOT.TB®. All three lack sensitivity in PLHIV. Various strategies to discover superior LTBI screening tools are therefore being explored, including the development of IGRAs in response to alternative M. tuberculosis antigens to those used in the QFT-GIT or T-SPOT.TB®. A potential candidate is the native Heparin-Binding Haemagglutin (nHBHA), a methylated M. tuberculosis protein regarded as a latency-associated antigen. An in-house IGRA based on nHBHA (nHBHA-IGRA) has been shown to be a promising LTBI screening tool both in immunocompetent adults and in hemodialysed patients. The contribution of this nHBHA-IGRA to the detection of M. tuberculosis in PLHIV was therefore investigated. Treatment-naïve HIV-infected subjects were recruited from 4 Brussels-based hospitals. Subjects underwent screening for latent TB using the nHBHA-IGRA in parallel to the classical method consisting of medical history, chest X-ray, TST and QFT-GIT. Prospective clinical and biological follow-up ensued, with repeated testing with nHBHA-IGRA. Among 48 candidates enrolled for screening, 9 were diagnosed with LTBI by combining the TST and QFT-GIT results (3 TST+/QFT-GIT+, 1 TST+/QFT-GIT- and 5 TST-/QFT-GIT+). All 3 TST+/QFT-GIT+ patients, the TST+/QFT-GIT- patient as well an additional 3 subjects screened positive with the nHBHA-IGRA. These 3 additional patients had known M. tuberculosis exposure risks compatible with LTBI. During follow-up (median 14 months) no case of TB was reported and nHBHA-IGRA results remained globally constant. Multiplex analysis confirmed IFN- as the best read-out for the assay. From this study, we concluded that the nHBHA-IGRA appears complementary to the QFT-GIT for the screening of LTBI in PLHIV and the combination of the two tests may increase the sensitivity of screening. A large-scale study is however necessary to determine whether combining nHBHA-IGRA and QFT-GIT offers sufficient sensitivity to dismiss TST, as suggested by our results. In the same study, a group of HIV-infected adults with clinical suspicion of active TB were also recruited and tested with nHBHA-IGRA. Contrary to results in HIV-uninfected subjects, the nHBHA-IGRA could not discriminate between LTBI and active TB in PLHIV. This is an important caveat as HIV-infected subjects may present subclinical TB.A different angle was used for the third approach to the problem of LTBI in PLHIV. Systemic immune activation (SIA) is one of the principal driving forces in the natural course of HIV-infection. Despite long-term viral suppression by combination antiretroviral treatment (cART), a low-level SIA persists and is associated with an early-onset of age-associated disorders such as cardiovascular disease, dementia and osteoporosis. Causes of SIA in PLHIV are multiple and certain chronic infections appear to be implicated. A recent study in South Africa found that LTBI in PLHIV was associated with an increase in circulating activated CD8+ T-cells. If LTBI should contribute to the persistence of SIA, its screening and treatment could have an additional benefit on the clinical outcome of PLHIV. To investigate this theory, the expression of T-cell activation markers (CD38 and HLADR) as well as the level of plasmatic markers of immune activation (IL-6, sCD14, D-Dimers) were compared between subjects presenting active TB, subjects with LTBI and M. tuberculosis-free persons, with and without HIV-infection. In accordance with previous studies, active TB was associated with higher levels of SIA biomarkers in both HIV-infected and -uninfected groups. Among the HIV-uninfected subjects, no significant difference in biomarker level was found between those presenting LTBI and those with no evidence of M. tuberculosis. The effect of LTBI on activation biomarkers in the HIV-infected groups remained inconclusive because of the small number of individuals in the HIV+/LTBI group. Further investigation is therefore warranted. Interestingly, it was found that plasmatic markers may have a greater sensitivity for the detection of M. tuberculosis-associated SIA than the T-cell activation markers, an important result for future studies.Overall, LTBI in PLHIV is a challenging topic, in particular because of the lack of a gold-standard for the diagnosis of LTBI. Despite suboptimal tools, the evident clinical impact of LTBI screening and treatment in PLHIV on TB incidence justifies its implementation in standard HIV-care. In low TB-incidence countries, who, when and how to screen for LTBI in PLHIV remains unclear. This work offers an overview on the subject with particular focus on possible measures for improvement in the field. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished