Shigella provoque la dysenterie bacillaire en envahissant les muqueuses du colon. Cette maladie diarrhéique est responsable d’un million de décès par an essentiellement dans les pays en voie développement. Les gènes nécessaires àl’entrée dans les cellules hôtes sont regroupés sur un fragment d’ADN plasmidique de 30-kb. Celui-ci contient deux types de gènes, les gènes ipa(B, C et D) et ipgcodant pour des protéines responsables de l’entrée de la bactérie dans les cellules, et les gènes mxi/spacodant pour un système de sécrétion appelétype III (SST3) nécessaire àla sécrétion des facteurs de virulence. Les gènes mxi/spaetipa/ipgsont exprimés à37°C et les protéines Ipa/Ipgrestent dans le cytoplasme jusqu’àce que le SST3 soit activéau contact de la cellule hôte. Ce contact induit l’internalisation de la bactérie par macropinocytose, suivie de sa dissémination intra-et intercellulaire. Des observations en microscopie électronique (ME) montrent que le SST3 est composéde trois parties: i) une aiguille dont la longueur est régulée à50 nm par la protéine Spa32, ii) un corps basal qui traverse les membranes interneet externe ainsi que le peptidoglycane, et iii) un bulbe cytoplasmique. Le SST3 est le dispositif principal de virulence et permet l’injection de facteurs de virulences du cytoplasme bactérien vers celui de la cellule cible. Shigelladoit sécréter ces protéines de manière ordonnée. Très peu de travaux ont abordécette question. L’objectif principal de ce travail de thèse a étéd’étudier les mécanismes moléculaires impliqués dans la hiérarchie de sécrétion.Nous avons principalement investiguéle rôle de 3 protéines: Spa32, Spa40 et MxiC dans la sécrétion. Nous avons montré, par des études génétiques, que contrairement aux études publiées sur les protéines homologues, Spa32 n’agit pas comme un «molecularruler»pour réguler la taille de l’aiguille. Nous avons montréque cette régulation nécessite l’interaction de Spa32 via ses résidus 206-246 au domaine C-terminal de Spa40 (Spa40C) (Botteaux et al., 2008a). Ayant identifiécette interaction avec Spa40, l’étape suivante de notre travail a portésur la caractérisation de la fonction du gène spa40par des méthodes génétique, biochimique et structurale (ME). Nos résultats montrent que Spa40 joue un rôle important dans l’assemblage du SST3. Des plus, nous avons mis en évidence de nouvelles interactions impliquant Spa40C et des composants du SST3 (Botteaux et al., in preparation).Parallèlement àces travaux, nous avons montréque l’inactivation du gène mxiCaboutit àune dérégulation spécifique de la sécrétion des effecteurs sans altérer celle des translocateurs IpaB et IpaC. Cette augmentation de sécrétion est due àune augmentation de transcription des gènes tardifs, conséquence de la sécrétion précoce de l’anti-activateur transcriptionnel, OspD1 (Botteaux et al., 2008b). De plus, nous avons montréque MxiC est un substrat de l’appareil de sécrétion et que cette sécrétion est associée àsa fonction. Finalement, la mise en évidence d’une interaction entre MxiC et Spa47, l’ATPase du SST3 nous permet de proposer un modèle régulant la hiérarchie de sécrétion des effecteurs.Dans une autre partie de notre travail, nous avons identifié, par des expériences de ME et d’immunomarquage, que l’invasineIpaD est localisée au sommet de l’aiguille du SST3 oùelle lui sert de bouchon. Enfin, de manière très intéressante, nous avons montréque des anticorps anti-IpaD neutralisent l’entrée de Shigelladans les cellules (Sani, Botteaux et al., 2007, dépôt de brevet). IpaD, étant conservée dans les isolats invasifs de Shigella, représente donc un réel candidat vaccinal pouvant pallier la diversitédes sérotypesbactériens.En conclusion, nos travaux représentent une contribution importante àla compréhension des mécanismes de virulence bactériens et dépassent le cadre de Shigellapuisque les systèmes de sécrétion sont hautement conservés parmi plusieurs pathogènes. L’identification de drogues pouvant interférer avec ces systèmes de sécrétion représente une voie d’avenir pour le développement de nouveaux agents anti-infectieux.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les parasites protozoaires du genre Leishmania sont les agents microbiens responsables d’un groupe de maladies connues sous le nom de leishmanioses. L’infection productive dépend de la capacité de survie du parasite suite au premier contact initial du système immunitaire de l’hôte. Par conséquent, la prolifération du parasite à l’intérieur des phagolysosomes sera responsable de la pathologie. Les promastigotes stationnaires, récupérés en culture axénique de laboratoire sont semblables aux promastigotes métacycliques. Ces derniers sont fortement immunomodulateurs et sont considérés, traditionnellement comme la forme la plus infectieuse du parasite. Les protéines sécrétées de différents organismes ont été directement impliquées dans plusieurs pathologies. Donc, il est possible que les protéines sécrétées par Leishmania, soient également impliquées dans la capacité du parasite à subvertir le système immunitaire. Les avancées récentes dans l’étude du sécrétome de plusieurs types de Leishmania ont permis d’affirmer que le sécrétome est fort complexe. Nous avons déterminé qu’environ 300 protéines sont sécrétées par le parasite, la plupart d’entre elles ayant aucun signal canonique de sécrétion. Le sécrétome de Leishmania est donc composé surtout de protéines qui sont libérées par sécrétion non conventionnelle, . Afin d’étudier le sécrétome associé à la virulence, nous avons développé et validé une approche qui a permis l’étude des composants de l’exoprotéome des parasites stationnaires et logarithmiques. Cette approche était basée sur la culture continue des parasites dans un milieu de culture sans supplément de sérum de bovin fœtal, cRPMI, dans lequel la virulence des parasites est maintenue. Grâce à cette approche nous avons mis en évidence un exoproteome distinct de ceux jusqu’à date répertorié. La méthode de production et de la récupération de l’exoproteome sont donc très importants. Notre exoprotéome est dominé par la GP63, une glycoprotéine dont l’importance centrale dans l’infection a été déjà validée. La culture continue des parasites est donc essentiel pour avoir un exoprotéome représentatif. Nous avons également déterminé que la cultutre en continu pouvait amener à une diminution de la virulence et quarante divisions sont nécessaires pour une perte de virulence significative. Par conséquent toutes nos études se sont fait chez des parasites comptant moins de 20 divisions. Le principal mécanisme associé à la perte de virulence a été identifié comme une incapacité de se différencier en amastigotes. Le cRPMI a donc permis la culture des parasites pour l’étude de l’exoprotéome tout en maintenant la virulence des parasites. La présence de vésicules, décrite déjà comme un composant de l’ exoprotéome, a été confirmée aussi par notre approche continue et a été confirmé, d’ailleurs, dans l’exoproteome des parasites en phase de croissance logarithmique. Les vésicules récupérées des parasites logarithmiques diffèrent de celles recueillies de parasites en phase stationnaire de croissance. En effet des protéines potentiellement impliquées dans la rénovation et le recyclage du contenu protéique, tels certains composants du ribosome étaient enrichies dans les parasites en phase logarithmique tandis que les vésicules des parasites stationnaires ont un contenu protéomique ayant des caractéristiques similaires aux corps apoptotiques des cellules de mammifères. En dehors de la GP63, plusieurs autres protéines décrites comme immunomodulatrices ont été retrouvées dans l’exoprotéome des parasites stationnaires, ce qui indique que celui-ci contient un ensemble de protéines avec un potentiel d’interaction directe avec les cellules du système immunitaire. Immunologiquement, l’exoprotéome récupéré des parasites stationnaires a été capable d’activer les cellules dendritiques, laissant supposer une fonction importante dans la création d’un environnement inflammatoire précoce lors des premières étapes de l’infection. En conclusion, la recherche développée a contribué à l’avancement des connaissances actuelles sur la biologie du Leishmania, grâce au développement et à la validation d’une nouvelle approche afin d’étudier son exoprotéome. L’exoprotéome récupéré était dynamique, il avait une composition spécifique, dépendant du stade du parasite. Cet exoprotéome avait des effets spécifiques sur les cellules dendritiques et il jouait un rôle important dans les étapes précoces de l’infection. Cette étude a ouvert des nouvelles perspectives sur l’exoprotéome de Leishmania spp. permettant la découverte de nouvelles protéines immunomodulatrices et, en corrolaire, de nouvelles cibles pour le contrôle de la maladie associée au parasite. / Protozoa parasites of the genus Leishmania are the responsible for a group of diseases known as leishmaniasis. The infection is associated with the capacity of these parasites to survive in the phagolysosomes of infected macrophages. Successful infections with pathogenic Leishmania spp. are linked to the capacity of the parasite to survive the initial impact of the host immune system and to interfere with the infected cells rendering them incapable of eliminating the parasites. The secreted proteins from the parasite are expected to be in the front line for interactions with the host. Recent advances in the study of the secretome of Leishmania spp. depicted it as highly complex with the majority of proteins without any predictable secretion signal. The secretome is composed of proteins that are released by different mechanisms like conventional and unconventional secretion. Several proteins secreted by Leishmania spp. are known to interact and influence the outcome of the disease by directly interfering with the host immune cells. The proteomic studies on the Leishmania spp. secretome identified more than three hundred proteins released into the exterior. The stationary promastigotes recovered in axenic culture were enriched in the most virulent promastigote form, the metacyclic parasites. Therefore we aimed at evaluating the exoproteome associated with the stationary parasites. To achieve this we developed and validated an approach that would enable the study of the exoproteome components of stationary and logarithmic parasites. This approach was based on the continuous cultivation of the parasites in a medium without any protein supplementation that maintained the basic virulence of the parasites. The continuous approach produced a GP63-rich exoproteome that was distinct from the traditional approaches indicating that the process of recovery induced a significant bias in the study. Furthermore as the continuous approach was chosen, we determined the mechanisms associated with loss of virulence assuring that fully virulent parasites were used. At least forty parasite divisions were required for a short-term loss of virulence. The main mechanism associated with loss of virulence was identified as a growing incapacity to differentiate into amastigotes. The defined time interval of forty divisions enabled us to evaluate the exoproteome without loss of virulence related to the subculture. The protein-free medium developed, cRPMI, retained parasite virulence and morphology similar to that of parasites grown in standard media. The exoproteomes recovered using cRPMI were dominated by proteins without any recognizable secretion sequence, in concordance with reports on other Leishmania spp. The presence of vesicles, already reported as a component of the exoproteome, was also confirmed using our continuous approach. Furthermore, the presence of vesicles in the logarithmic parasites exoproteome was confirmed. The protein content of these vesicles presented a dynamic profile that was dependent on the parasite stage. The vesicles recovered from logarithmic parasites seemed to be related to protein turnover, being significantly enriched in ribosomal components. The vesicles from stationary parasites are of different composition, presenting some characteristics similar to apoptotic bodies. Immunologically the exoproteome recovered from stationary parasites was able to activate dendritic cells suggesting that the exoproteome might have a function in the creation of an early inflammatory environment leading to the recruitment of neutrophils and monocytes that might function as safe heavens for the parasites. In conclusion, our research has contributed to the advance of the current knowledge of Leishmania biology, through the development and validation of a novel approach to study the Leishmania secretome. The exoproteome recovered from stationary parasites had specific immune-modulating effects on bone marrow derived dendritic cells, indicating that it can play an important role in the precocious steps of infection. This study opened new perspectives into the Leishmania spp. exoproteome that will enable the search of new immunomodulatory proteins that might become the future targets to leishmaniasis control.

La coqueluche est une maladie respiratoire aiguë, causée par la bactérie à Gram négatif Bordetella pertussis. L’hémagglutinine filamenteuse (FHA) est une adhésine responsable de la colonisation du tractus respiratoire de l’hôte, ainsi qu’un antigène vaccinal important. La FHA est transportée à la surface de la bactérie par une protéine de membrane externe, FhaC, selon la voie de sécrétion à deux partenaires (voie TPS). Le couple FHA/FhaC sert de modèle aux systèmes TPS. FhaC fait également partie de la superfamille de transporteurs TpsB/Omp85 qui regroupe des protéines de la membrane externe des bactéries et de certains organites eucaryotes (dont les chloroplastes et mitochondries). La structure cristallographique de FhaC est la première à avoir été obtenue parmi les protéines de cette superfamille. Le tonneau β de FhaC est composé de 16 brins anti-parallèles, reliés par des boucles extracellulaires ou périplasmiques. Le canal formé par FhaC est obstrué par une hélice amino-terminale (H1) et une boucle de surface conservée dans la superfamille repliée à l’intérieur du tonneau (L6). Le domaine périplasmique de FhaC contient deux domaines « POTRA » (pour Polypeptide Transport Associated) en tandem. Ces domaines sont conservés dans la superfamille et seraient responsables d’interactions protéine-protéine. Mon travail de thèse a consisté à appréhender, à partir de la structure de FhaC, les mécanismes moléculaires de la sécrétion de la FHA. J’ai étudié le rôle d’une tétrade de résidus conservés dans la boucle L6, puis j’ai caractérisé les déterminants d’interaction présents dans les domaines POTRA de FhaC. Nos travaux ont montré que la tétrade conservée VRGY localisée à l’extrémité de L6 est impliquée dans la fonction de FhaC. Les substitutions de l’arginine et de la tyrosine en alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) ont montré que l’arginine était essentielle à la sécrétion de la FHA. De plus, la structure cristallographique de FhaC-R450A indique que la substitution ne perturbe pas la position de L6. L’analyse des propriétés du canal de ces deux variants reconstitués en bicouche lipidique montre en revanche une perturbation des canaux de FhaC-Y452A. Les substitutions n’altèrent pas l’étape de reconnaissance de FHA par FhaC. L’arginine serait donc impliquée dans une étape tardive de la sécrétion, alors que la tyrosine semble participer au positionnement de L6 ou à la régulation de sa mobilité au cours de la sécrétion et pourrait stabiliser FhaC « au repos ». J’ai également caractérisé les déterminants d’interaction des deux domaines POTRA de FhaC et montré que des résidus de l’extrémité de POTRA1 sont impliqués dans le recrutement de la FHA, probablement par interaction électrostatique. Deux sites majeurs d’interaction ont été identifiés dans des sillons hydrophobes des POTRA1 et 2, qui seraient compatibles avec l’hypothèse que les deux protéines interagissent par « beta augmentation ». L’étude du couple FHA/FhaC est un modèle pour la voie de sécrétion TPS. Nos résultats indiquent que les motifs structuraux conservés sont impliqués dans la fonction de la protéine et apportent des précisions sur les mécanismes moléculaires de la voie TPS et des transporteurs de la superfamille TpsB/Omp85. / Whooping cough is an acute respiratory disease caused by the Gram-negative bacterium Bordetella pertussis. The filamentous hemagglutinin (FHA) is an adhesin involved in colonization of the host’s respiratory tract, and a major vaccine antigen. FHA is transported to the cell surface by an outer membrane protein, FhaC by the two-partner secretion (TPS) pathway. The FHA/FhaC pair is a model for TPS systems. FhaC belongs to the TpsB/Omp85 superfamily whose members are found in the outer membranes of bacteria and organelles such as chloroplasts and mitochondria. The crystal structure of FhaC has been the first in this superfamily. The β barrel of FhaC is composed of 16 anti-parallel strands, linked by extracellular loops and periplasmic turns. The FhaC channel is blocked by an amino-terminal helix (H1) and a conserved extracellular loop (L6). The periplasmic domain of FhaC has two POTRA domains (“Polypeptide Transport Associated”) that are conserved in the TpsB/Omp85 superfamily and involved in protein-protein interactions. My PhD work aimed at investigating the molecular mechanisms of FHA secretion based on the FhaC structure. I analyzed the role of a conserved tetrad in the L6 loop, and I also characterized the determinants of interaction with FHA in the POTRA domains of FhaC. Our work has shown that the conserved VRGY tetrad of L6 is involved in FhaC’s function. Substitution of arginine and tyrosine by alanine (FhaC-R450A et FhaC-Y452A) indicated that the arginine residue is essential for FHA secretion. Moreover, the crystal structure of FhaC-R450A showed that the positioning of L6 is similar to that in the wild type protein. Channel analyses of both variants reconstituted in lipid bilayers indicated that the FhaC-Y452A channels are affected. Both substitutions have no effect on the recognition step in the periplasm. The arginine residue is thus most likely involved in a late step of FHA secretion, while the tyrosine residue might participate in the positioning of L6 positioning or the regulation of its mobility in the course of secretion; it could stabilize FhaC in its “resting state”. I also characterized the determinants of interaction with FHA of the POTRA domains of FhaC and showed that residues at the extremity of POTRA1 might be involved in FHA recruitment, probably by electrostatic interactions. Two major sites of interactions were identified in hydrophobic grooves in both POTRA1 and 2, which are in agreement with a model of interaction between the 2 proteins by “beta augmentation”. The FHA/FhaC pair is a model for the TPS pathway. Our results indicate that conserved structural motifs of FhaC are involved in the function of the protein and give new insights into the molecular mechanisms of the TPS pathway and of transporters of the TpsB/Omp85 superfamily.

Les androgènes contrôlent la prolifération des cellules de prostate en activant le récepteur des androgènes (AR). Une exposition prolongée à des concentrations élevées de ces hormones sexuelles mâles favorise toutefois un cancer de la prostate (PCa). La suppression des hormones consiste en un traitement fort utilisé, concrétisé entre autres par l'utilisation d'anti-androgènes, tel le Casodex. De nombreuses études sur des lignées cellulaires de PCa en culture montrent que l'homéostasie des androgènes dépend entre autres des UDP-glucuronosyltransférases (UGT) 2B15 et 2B17. Ce projet de maîtrise s'intéresse d'une part à préciser la régulation des UGT2B15 et 2B17 par le traitement hormonal, représenté par le Casodex, et, d'autre part, à valider in vivo ces observations. Le traitement des lignées cellulaires de PCa AR+ LNCaP et LAPC-4 avec du Casodex dans du milieu avec sérum a induit les UGT2B15/2B17 de façon dose- et temps-dépendantes, tel que déterminé aux niveaux transcriptionnel, protéique et activité avec des PCR en temps réel, des immunobuvardages avec des anticorps spécifiques et des essais enzymatiques de glucuronidation. L'utilisation d'une lignée cellulaire LNCaP contenant un ARN interfèrent inductible contre l'AR a révélé que l'induction des UGT2B15 et 2B17 est AR-dépendante, mais que leur régulation par le Casodex implique AR uniquement pour TUGT2B15. En parallèle, deux types de souris transgéniques pour YUGT2B15 humaine ont été créés en utilisant la portion codante ainsi que l'intron 1 du gène humain, dont l'expression est contrôlée soit par le promoteur de 2,4kb d, UGT2B15 (Tg-p2B15), résultant en une distribution tissulaire similaire à l'humain, soit par le promoteur prostate-spécifique de la probasin (Tg-pProba), confinant l'expression du transgène à la prostate. La caractérisation de ces modèles est présentement en cours. En somme, l'utilisation du Casodex démontre une régulation fine des UGT par les androgènes, qui pourra être approfondie ultérieurement in vivo avec les souris transgéniques.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie à Gram négatif ubiquitaire, pathogène opportuniste. Elle est la 3ème cause d’infections nosocomiales, notamment chez les immunodéprimés et les grands brûlés. Elle est aussi responsable de la mort de nombreux patients atteints de la mucoviscidose. Sa virulence est largement due à son aptitude à sécréter de nombreuses enzymes dégradatives et toxines, parmi lesquelles la protéine ExoU, sécrétée par le Système de Sécrétion de Type III. ExoU est une phospholipase, de la famille des « patatin-like proteins », dont l’activité est portée par une dyade catalytique Ser-Asp.Mon travail de thèse a permis d’identifier 4 homologues d’ExoU (PlpA, PlpB, PlpC et PlpD) dans le protéome de la souche PAO1 de P. aeruginosa (qui est dépourvu de cette protéine). En étudiant le mode de sécrétion de PlpD, nous avons découvert une nouvelle branche du Système de Sécrétion de Type V (SST5), le SST5d. La protéine représentant ce nouveau système possède un domaine C-terminal transporteur de type TpsB (SST5b), fusionné à un domaine N-terminal patatine sécrété dans le milieu extracellulaire (à l’image d’un autotransporteur, ou SST5a). Ce mode de sécrétion serait un mode dédié à la sécrétion de « patatin-like proteins », comme le suggèrent nos analyses phylogénétiques, à Nous avons en outre démontré que PlpD possède une activité lipase.L’autre protéine étudiée, PlpA, est également sécrétée, bien que nous n’ayons pu établir avec certitude sa voie de transport. Nous avons évalué le rôle de cette protéine lors de l’interaction de P. aeruginosa avec des cellules hôtes de type macrophages et cellules épithéliales. Nous avons observé que cette protéine confère une protection temporaire aux cellules infectées par P. aeruginosa. Ce retard semble être directement imputable à l’activité de la protéine, puisqu’il est dépendant de l’intégrité de la dyade catalytique putative de PlpA / Pseudomonas aeruginosa is an ubiquitous Gram negative bacteria, and efficient opportunistic pathogen. It is the third most common cause of nosocomial infections, most particularly within immunocompromized or burn patients. This pathogen is responsible for the death of numerous cystic fibrosis patients. Its virulence is due mainly to its capacity to secrete numerous degradative enzymes and toxins, among them, ExoU which is secreted via the Type III Secretion System. ExoU is a phospholipase of the patatin-like protein family, and its activity is based on a Ser-Asp catalytic dyad.During my thesis, we identify 4 ExoU homologs (PlpA, PlpB, PlpC, and PlpD) in the proteome of the P. aeruginosa PAO1 strain (this strain does not possess ExoU). Results obtained studying PlpD secretion led us to discover a new branch of the Type V Secretion System (T5SS), the T5dSS. PlpD is composed of a C-terminal TpsB-like transporter domain (like T5bSS), fused to a N-terminal patatin domain which is secreted into the extracellular medium (like autotransporters, or T5aSS). Our phylogenetic analysis suggests that this secretion pathway may be dedicated to the secretion of PLPs, like T5cSS, which secretes only adhesins. Moreover, we demonstrated that PlpD is a lipase.The other studied protein, PlpA, is also a secreted protein, but we still do not know which secretion system is involved in its secretion. We tested the role of PlpA during interaction of P. aeruginosa with host cells by carrying out infections of murin macrophages and epithelial cells. We observed a transitory protection of cells infected with P. aeruginosa. This protection seems to require an active PlpA protein as it is dependent on a intact catalytic dyad in this protein

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.