Les bactéries du genre Mycobacterium possèdent une enveloppe très caractéristique composée d'une membrane plasmique, une paroi et une capsule. Le compartiment pariétal est le plus remarquable, notamment grâce à la présence de lipides non liés de façon covalente à la structure : les lipides extractibles. Ubiquitaires ou spécifiques à une espèce, ces derniers sont retrouvés en surface, où ils peuvent jouer un rôle clé dans les interactions hôte-pathogène. La synthèse et le transport de ces lipides nécessite l'intervention d'une enzyme modulaire appelée polykétide synthase (Pks), d'une enzyme activant le substrat de la Pks, d'une autre transférant le produit de la Pks sur une molécule acceptrice et enfin d'un transporteur de la famille RND (résistance, nodulation, division cellulaire). Un locus regroupant les gènes codant pour des protéines de biosynthèse et de transport de lipides extractibles a été retrouvé sur le chromosome de M. smegmatis entre les gènes MSMEG_0406 et MSMEG_0413. Nous avons alors entrepris de caractériser le rôle de chacun de ces gènes. Notre stratégie a consisté à inactiver ces gènes par recombinaison homologue puis à étudier la nature et la localisation des dérivés lipidiques de l'enveloppe des mutants. Suite à la caractérisation structurale des dérivés lipidiques affectés par ces mutations, nous avons montré que ce locus est lié aux polyphléates de tréhalose (PPT), auparavant décrits chez M. phlei. Le composé mature consiste en un tréhalose estérifié par sept acides gras polyinsaturés appelés acides phléiques. L'étude des génomes mycobactériens a montré que ces gènes sont conservés par un large panel de mycobactéries non tuberculeuses, en particulier M. avium et M. abscessus, deux pathogènes opportunistes. L'analyse du contenu lipidique de ces deux espèces a mis en évidence un composé possédant des propriétés similaires aux PPT. Par ailleurs, l'inactivation chez M. abscessus de l'orthologue du gène codant la Pks abolit la production de ces composés, confirmant ainsi le rôle de la Pks. Par analogie avec les voies de biosynthèse des glycolipides produits par M. tuberculosis, agent de la tuberculose, nous avons pu établir un modèle de la voie de biosynthèse des PPT chez les mycobactéries. / The unique mycobacterial envelope can be divided into three entities: a plasma membrane, a cell wall and a capsule. The parietal compartment is remarkable for its lipid content notably the extractible lipids, not covalently bound to the structure. Either ubiquitous or species-specific, these surface lipids can play key roles in host-pathogen interactions. The synthesis and transport of many extractible lipids require at least a modular enzyme called polyketide synthase (Pks), a protein allowing the activation of the Pks substrate, another transferring the Pks product onto an acceptor molecule and a RND transporter (resistance-nodulation-division). A locus containing synthesis and transport coding genes was found on the M. smegmatis chromosome between MSMEG_0406 and MSMEG_0413. We then undertook to characterize the role of each gene composing this locus. Our strategy was to disrupt these genes by homologous recombination and then to analyze the lipid content and localization of the mutant strain envelope. Structural characterization of the impacted lipids showed a link between this locus and trehalose polyphleates (PPT) synthesis. The mature compound is a trehalose acylated by seven polyunsaturated fatty acids called phleic acid and previously described in M. phlei. Analysis of mycobacterial genomes showed that these genes are conserved in several non tuberculous mycobacteria, including the opportunistic pathogens M. avium and M. abscessus. Analysis of the lipid content of both species showed a compound with the same properties than PPT. Moreover, inactivation of the M. abscessus pks orthologue abolished its production, thus confirming the Pks implication in the PPT synthesis. By analogy with M. tuberculosis glycolipid biosynthesis, we could propose a model of the PPT biosynthetic pathway in mycobacteria.

Ce travail de thèse intitulé «Evaluation de marqueurs génétiques du complexe Mycobacterium tuberculosis combinée à l'utilisation d'outils bioinformatiques: apport en épidémiologie et phylogénie de la tuberculose» a consisté en la sélection et l'évaluation de marqueurs minisatellites dans le cadre d'études épidémiologiques et phylogénétiques du bacille tuberculeux, Une première partie a ainsi porté sur l'épidémie de tuberculose en Guadeloupe, Martinique, et Guyane française ainsi que dans un pays continental à faible incidence de tuberculose, la Suède, Les résultats montrent les disparités existant entre les populations de patients tuberculeux des 3 départements français d'Amérique (DFA) ainsi que les similitudes génotypiques existant entre les bacilles tuberculeux. Par ailleurs le rôle majeur joué par les cas d'importation dans l'épidémie de tuberculose a été montré aussi bien dans les DFA qu'en Suède. Nous nous sommes ensuite intéressés à une utilisation optimale des minisatellites pour une meilleure discrimination de la famille génotypique émergeante « Beijing» circulant au Japon (Osaka, Kobe et Okinawa), ainsi qu'en Russie. Nous avons constaté le faible pouvoir discriminant du format classique 12-locus MIRU (Mycobacterial lnterspersed Repetitive Units) et proposons plusieurs nouvelles stratégies de typage basées plusieurs marqueurs minisatellites incluant certains locus hypervariables. Enfin, dans un troisième volet, nous avons étudié la diversité génétique des bacilles tuberculeux circulant actuellement dans la Caraïbe. laquelle semble refléter le passé historique très particulier de cette zone géographique au croisement d'une multitude de peuplements. / This thesis entitled "Evaluation of genetic markers of Mycobacterium tuberculosis combined with the use of bioinformatics tools: input for epidemiology and phylogeny of tuberculosis" deals with the selection and evaluation of minisatellite markers in the context of epidemiological and phylogenetic studies of the tubercle bacillus M. tuberculosis. The first part of the present work has focused on the epidemic of tuberculosis in Guadeloupe, Martinique and French Guiana as well as in a low incidence continental country, i.e Sweden. The results show differences between populations of TB patients in the three French Departments of America and similarities between the genotypes of the circulating tubercle bacilli Moreover, results highlight the important role played by imported cases for TB epidemic the three French departments of America and Sweden. ln a second part, minisatellite markers have been evaluated for a better discrimination of strains of the emerging genotype "Beijing" circulating in Japan (Osaka, Kobe and Okinawa), and Russia. A low discriminatory power of classical format 12-locus MIRU (Mycobacterial lnterspersed Repetitive Units) was observed and new combinations of minisatellites have also been proposed including hypervariable locus. Finally, the genetic diversity of tubercle bacilli circulating in the Caribbean was investigated which currently seem to reflect historical past of this very special region at the intersection of a multitude of cultures and peoples.

Synthèse de la carrière

Au niveau mondial, la tuberculose est toujours l’une des dix premières causes de mortalité. L’un des principaux facteurs expliquant ce phénomène est l'émergence de souches du bacille tuberculeux, Mycobacterium tuberculosis, résistantes aux antibiotiques. Ainsi, l’OMS a déclaré prioritaire le développement d'une nouvelle génération d’antituberculeux qui soient efficaces contre les souches résistantes. Des études de criblage phénotypique récentes sur M. tuberculosis ont montré que des voies métaboliques de composés de l’enveloppe, telles que la biosynthèse des acides mycoliques, représentent des cibles thérapeutiques très pertinentes. Les acides mycoliques entrent dans la composition de facteurs de pathogénicité lipidiques du bacille tuberculeux. Ils portent divers types de fonctions chimiques déterminantes pour leurs rôles biologiques. Le système Fatty Acid Synthase de type II (FAS-II) impliqué dans leur biosynthèse constitue une cible thérapeutique validée. En effet, il est essentiel à la survie du bacille, possède des caractéristiques uniques, et a un rôle-clé dans sa virulence et sa persistance chez les organismes infectés. De plus, le système FAS-II est la cible de plusieurs médicaments antituberculeux tels que l’isoniazide et l’éthionamide. FAS-II est constitué d'un ensemble d'enzymes monofonctionnelles acyl carrier protein (ACP)-dépendantes. Une partie de ces protéines a été identifiée par des approches de génomique classique. Malgré cela, 20 ans après le séquençage du génome de M. tuberculosis, la composition complète de ce système ainsi que sa fonction précise restent encore à caractériser. L’objectif des travaux de recherche menés durant ma thèse est de caractériser le système FAS-II mycobactérien selon un nouvel angle d'attaque, à l'échelle du système entier. L'approche adoptée visait à i) développer et valider des méthodes expérimentales pour isoler le système FAS-II sous une forme la plus complète possible, ii) décrypter en profondeur la composition en protéines de FAS-II (collaboration équipe O. Schiltz, IPBS) ; iii) identifier de nouvelles enzymes partenaires potentielles. La 1ère partie de ce travail a consisté à mettre au point l'isolement du système FAS-II de deux mycobactéries, M. smegmatis, une espèce-modèle à croissance rapide, et M. bovis BCG, la souche vaccinale très proche de M. tuberculosis. Deux stratégies complémentaires ont été développées : la co-immunoprécipitation et la Single Step Affinity Purification (SSAP). Plusieurs enzymes du système FAS-II ont été utilisées alternativement comme appâts pour co-purifier des protéines partenaires. De nombreux paramètres ont été optimisés afin d'améliorer le taux d'enrichissement en FAS-II et de conserver le plus possible l’intégrité du système : nature de la protéine-appât, délétion du gène endogène (SSAP), conditions de lyse des bactéries, pontage chimique, étapes de purification... La 2ème partie de ma thèse a porté sur l'analyse par protéomique des fractions de purification obtenues et la 3ème partie a consisté à identifier de nouvelles enzymes partenaires. Le traitement des données a permis 1) de mettre en évidence des interactions physiques entre certaines enzymes du système FAS-II ; 2) de démontrer la présence d’une nouvelle enzyme partenaire du système : cette protéine, nommée HadD, est potentiellement impliquée dans l’une des étapes-clés de la biosynthèse des acides mycoliques nécessaire pour l’introduction des groupements fonctionnels sur ces lipides. / Globally, tuberculosis is still one of the top ten leading causes of death. In 2015, the World Health Organization (WHO) reported nearly 480,000 new cases of multidrug-resistant tuberculosis and called for the development of new antituberculosis agents. Recent phenotypic screening studies on Mycobacterium tuberculosis have shown that envelope metabolic pathways, such as mycolic acid biosynthesis, are highly relevant therapeutic targets. Mycolic acids constitute the lipid moiety of pathogenicity factors of the tubercle bacillus. They are essential mycobacterial fatty acids holding various chemical functions decisive for their biological roles. The Fatty Acid Synthase type II (FAS-II) system involved in their biosynthesis is a relevant and validated therapeutic target. Indeed, it is essential to the survival of the bacillus, has unique features, and plays a key role in its virulence and persistence in infected organisms. In addition, the FAS-II system is the target of several antituberculosis drugs such as isoniazid and ethionamide. FAS-II is made of discrete monofunctional acyl carrier protein (ACP)-dependent proteins. Some of these proteins have been identified by conventional genomic approaches. However, 20 years after the M. tuberculosis genome sequencing, the complete composition of this system and its precise function remain poorly known. The objective of my PhD project is to characterize the mycobacterial FAS-II multienzyme system with a completely new line of attack, at the scale of the entire system. The adopted approach was aimed at i) developing and validating experimental methods to isolate the FAS-II system in the most complete form, ii) deciphering the FAS-II protein composition (collaboration with O. Schiltz's team, IPBS); iii) identifying potential new partner enzymes. The first part of this work consisted of developing the isolation of the FAS-II system from two mycobacteria, M. smegmatis, a fast-growing model species, and M. bovis BCG, the vaccine strain very close to M. tuberculosis. Two complementary strategies were developed: co-immunoprecipitation and Single Step Affinity Purification (SSAP). Several enzymes of the FAS-II system were used alternatively as a bait in an attempt to co-purify partner proteins. To improve the level of FAS-II enrichment and to preserve as much as possible the integrity of the system, many parameters were optimized: nature of the bait protein, endogenous gene deletion (SSAP), bacteria lysis conditions, chemical cross-link, purification steps… The second part of my thesis focused on the proteomics analysis of the purification fractions obtained and the third part consisted in identifying new partner enzymes. The data processing allowed: 1) to demonstrate the presence of physical interactions between some FAS-II system enzymes; 2) to demonstrate the presence of a new partner enzyme of the system: this protein, called HadD, is potentially involved in one of the key steps of the mycolic acid biosynthesis pathway necessary for the introduction of functional groups on these lipids. The results obtained thanks to the optimized co-immunoprecipitation and SSAP protocols have contributed to the knowledge of the mycobacterial FAS-II system and bring promising leads for the discovery of new partner enzymes.

L'axe IL-12-IFN-γ joue un rôle important dans l'immunité anti-mycobactérienne. J'ai identifié et étudié une cohorte de 137 patients présentant un déficit autosomique récessif complet d'IL12RB1 qui code la sous-unité β1 des récepteurs de l'IL-12 et de l'IL-23. Ces patients sont issus de 101 familles provenant de 30 pays. Ils présentent une grande diversité génétique avec 52 allèles mutants différents. Le phénotype cellulaire avec un défaut complet de réponse à l'IL-12 est homogène chez tous les patients. Les phénotypes cliniques sont eux très hétérogènes allant de l'absence d'infection jusqu'au décès. Il s'agit en grande majorité d'infections mycobactériennes (BCG, mycobactéries environnementales et tuberculose) et/ou à salmonelles. La candidose est aussi retrouvée associée à ce défaut chez un grand nombre de patients. L'axe IL-23-IL-17 participe à la différentiation et à l'activation des lymphocytes T CD4+ dits de type Th17. les cytokines et les mécanismes contrôlant la différentiation de ces cellules sont peu connus. J'ai étudié le développement des lymphocytes producteurs d'IL-17 chez des patients porteurs de défauts génétiques affectant la voie du TGF-β (patients TGFBR1, TGFBR2 et TGFB1), de l'IL-1β (patients IRAK4 et MYD88), de l'IL-6 (patients STAT3) et de l'IL-23 (patients IL12B et IL12RB1). Pour cela, j'ai quantifié la production et la sécrétion d'IL-17 dans deux modèles expérimentaux ex vivo et in vitro. Les patients IL12B-/- et IL12RB1-/-, et de façon plus drastique les patients STAT3-/- présentent une diminution des lymphocytes producteurs d'IL-17, ce qui suggère l'importance de ces molécules dans la différentiation et l'expansion des cellules Th17 in vivo

Bien que présentes dans tous les écosystèmes lacustres, la composition ainsi que l'abondance des communautés bactériennes peut varier à l'échelle régionale mais également à l'échelle locale. Une meilleure compréhension des facteurs responsables de ces patrons biogéographiques permettrait d'améliorer la connaissance des fonctionnements de ces systèmes aquatiques et donc de leur réponse potentielle face aux pressions anthropiques. Dans ce contexte, cette thèse a visé à étudier la biogéographie du compartiment bactérien dans un ensemble de lacs peu profonds. Les objectifs principaux de cette étude ont été d'évaluer aux échelles régionale et locale les facteurs responsables des patrons biogéographiques pour (i) l'ensemble de la communauté bactérienne et (ii) pour un groupe bactérien spécifique, i.e. les mycobactéries non-tuberculeuses. Pour atteindre ces objectifs deux approches complémentaires ont été entreprises. Tout d'abord, la variabilité spatiale à l'échelle régionale a été évaluée par l'échantillonnage en Ile-de-France de 49 lacs pendant trois étés. Couplé à cette approche, une étude plus fine a été entreprise pour caractériser la dynamique spatiotemporelle du compartiment bactérien par le suivi mensuel pendant deux ans et de six évènements pluvieux importants au sein du lac de Créteil (Val de Marne).À l'échelle régionale, la variabilité spatiale de la structure de la communauté bactérienne pour les trois années de suivi (caractérisé par T-RFLP) a été prédite à hauteur de 76% (r carré moyen) par les processus stochastiques et moins de 14% par les facteurs déterministes incluant les paramètres environnementaux (statut trophique) et les processus de dispersion (connexion du lac à une rivière et les axes PCNM). L'analyse de la composition de la communauté bactérienne par séquençage à haut débit (MiSeq Illumina) a mis en évidence des résultats similaires à ceux acquis par T-RFLP. Cependant, cette analyse a révélé que l'importance des processus impliqués dans les patrons biogéographiques pouvait évoluer en fonction des phylums ou des classes bactériens considérés. La variabilité spatiale des densités de mycobactéries (PCR en temps réel), était quant à elle expliquée à hauteur de 50% par des facteurs déterministes (pH de l'eau, concentration en fer labile et connexion à une rivière).À l'échelle locale, le suivi du lac de Créteil n'a révélé aucune variation spatiale significative (le long des transects horizontal et vertical) de la structure de la communauté bactérienne ainsi que des densités de mycobactéries. Par contre une étude spécifique sur deux lacs a révélé des variations significatives de densité et la diversité des mycobactéries au sein de différents compartiments des lacs. À l'inverse, d'importantes variations temporelles de la structure des communautés bactériennes ont été observées au cours des deux années de suivi, principalement associées aux variations de température de l'eau. Par ailleurs, bien que relativement stable au cours des deux années de suivi, les variations de densités des mycobactéries ont seulement été prédites par les processus stochastiques à hauteur de 35% / Although bacteria are widespread in lacustrine environments, their composition and abundance vary at the regional and also at the local scale. A better understanding of the factors responsible for these biogeographic patterns would improve our knowledge of these aquatic systems and thus their potential response to anthropogenic pressures. In this context, this thesis studied the biogeography of the bacterial compartment in a set of shallow lakes located in the Paris area. The main objectives of this study were to assess at the regional and local scale the factors responsible for the biogeographical patterns on (i) the entire bacterial community, and (ii) a specific bacterial group, i.e. the nontuberculous mycobacteria. To achieve these objectives two complementary approaches were undertaken. First, at the regional scale, the spatial variability was assessed by sampling 49 lakes during three consecutive summers. A finer study was also performed to characterize the spatiotemporal dynamics of the bacterial compartment over a two-year monthly monitoring and during six important rain events within the Créteil Lake (Val de Marne).At the regional scale, the spatial variability of the bacterial community structure for the three summers (assessed by T-RFLP) was predicted for 76% (mean r-squared) by stochastic processes and less than 14% by deterministic factors including environmental parameters (trophic status) and dispersal-related process (connection to a river and PCNM axes). The analysis of the bacterial composition by high-throughput sequencing (Illumina MiSeq) showed similar tendencies to those acquired by T-RFLP. However, this analysis revealed that the importance of the processes involved in biogeographical patterns could vary according to the bacterial phyla or classes considered. Spatial variability of mycobacterial densities (real time PCR) was explained up to 50% by deterministic factors (water pH, amount of labile iron and connection to a river).At the local scale, the monitoring of Creteil Lake revealed no significant spatial variation (along the horizontal and vertical transect) on the structure of the bacterial community and mycobacterial densities. However, a specific study of two lakes showed that mycobacterial density and diversity significantly varied among the different compartments of the lakes. Inversely, significant temporal variations on the bacterial community structure were observed over the two-year of monitoring, mainly related to water temperature changes. Although mycobacterial densities were relatively stable over the Créteil Lake monitoring, their variations were only predicted by stochastic processes up to 35%

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.

Chaque individu est exposé quotidiennement à des agents infectieux comme les bactéries, les champignons, les virus et les parasites sans pour autant développer une maladie. Cependant, certains vont développer des infections graves et récurrentes, causées par des microbes dont certains ont un faible pouvoir pathogène pour l’homme. Ceci suggère, qu’il existe entre les individus sensibles et résistants une variabilité au niveau du système immunitaire. Deux types de déficits immunitaires primitifs (DIP) de transmission mendélienne ont été décrits. Les DIP dit « classiques » sont monogéniques et prédisposent majoritairement à une susceptibilité infectieuse à large spectre d’agents pathogènes (un gène, plusieurs infections). Les seconds DIP sont également monogéniques mais sont responsables d’une susceptibilité infectieuse réduite à un groupe de pathogènes (un gène, un seul type d’infection). Chez de nombreux, patients, le défaut génétique responsable de DIP n’est pas identifié. Dans ce contexte, l’objectif de recherche de mon doctorat a été de caractériser deux DIP responsables d’une susceptibilité aux infections bactériennes. J’ai tout d’abord mis en évidence un nouveau mécanisme physiopathologique de la protéine NEMO, régulateur de la voie NF-κB, responsable d’un DIP associé à une dysplasie ectodermale anhidrotique (EDA). Ce mécanisme pathologique est caractérisé par une expression et une structure protéique conservées mais confère sélectivement un défaut de liaison de NEMO à l’ubiquitine, interaction essentielle dans l’activation de la voie NF-κB. Ceci démontre qu’une expression et une structure protéique normales n'excluent en rien un rôle pathologique de mutations dans le gène NEMO, dans un EDA-DIP. Dans un deuxième temps, j’ai mis en évidence un nouveau DIP affectant la voie de l’explosion oxydative spécifiquement dans les polymorphonucléaires et qui confère une susceptibilité sélective aux infections bactériennes de type pyogènes. Le patient étudié est né de parents consanguins et a présenté des infections récurrentes des voies respiratoires supérieures ainsi qu’une cellulite à Staphylococcus epidermidis. Par une approche génétique associant analyse de liaison et séquençage de l'exome, une mutation homozygote rare a été identifiée dans le gène codant NRAMP1. Cette mutation co-ségrège avec la maladie selon un mode de transmission autosomique récessif et altère spécifiquement l’expression de la protéine dans les granulocytes. Ce premier déficit en NRAMP1 décrit chez l’homme, compromet à la fois la voie de l’explosion oxydative et le contrôle de l’infection in vitro par Staphylococcus aureus dans les granulocytes. Cette étude implique NRAMP1 dans l'immunité contre les bactéries pyogènes via son rôle dans la production des espèces réactives de l’oxygène dans les granulocytes. Ce travail ouvre la voie vers un meilleur diagnostique et conseil génétique pour les patients souffrant de PID. / Human populations are exposed to infectious agents such as bacteria, fungi, viruses and parasites on a daily basis without developing any disease. However, a minority of individuals will suffer from infections to some microbes that are usually non-pathogenic to man, or will undergo severe and/or recurrent diseases usually easily treatable for others. This means that there is variability among individuals regarding their immune system, underlined by genetics between susceptible and resistant individuals. Two types of primary immuno deficiencies with a Mendelian mode of inheritance have been described. The first known as the classical primary immunodeficiency and is monogenic and predisposes in general to infections with a broad spectrum of infectious agents (one gene, multiple infections). The second type is also monogenic but predisposes generally to infections limited to a particular group of pathogens (one gene, one type of infection). The aim of my doctoral research was to characterize two new immunodeficiencies. First I highlighted a new physiopathological mechanism of the NEMO protein, a regulator of NF-κB pathway. This defect is characterized by normal protein expression and folding, but a specific defect of NEMO’s ubiquitin binding, which is an essential mechanism for the activation and regulation of the NF-κB pathway. This demonstrates that normal expression and structure of the protein do not exclude a pathological role of NEMO mutations in EDA-ID. I also described a new immune deficiency affecting the respiratory burst pathway in granulocytes which specifically confers a selective susceptibility to pyogenic bacterial infections. We studied a patient who was born from consanguineous parents, and who suffered from recurrent infections of the upper respiratory tract and cellulitis to S. epidermidis. By a genetic approach involving linkage analysis and exome sequencing, I identified a rare homozygous mutation (V484M) in the gene encoding for the NRAMP1 protein that co segregates with the disease with an autosomal recessive transmission. Specifically, this mutation impairs NRAMP1 protein expression in granulocytes, while expression remains normal in other phagocytic cells. NRAMP1 deficiency impairs both the respiratory burst and control of in vitro infection by S. aureus in granulocytes. Therefore, we identified the first NRAMP1 human deficiency. The mutation selectively affects granulocytes and is clinically responsible for pyogenic infections. This study helps to delineate the role of NRAMP1 in immunity against pyogenic bacteria through its involvement in reactive oxygen species production in granulocytes.

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L'ulcère de Buruli (UB), infection à Mycobacterium ulcerans, troisième mycobactériose mondiale, connait une émergence rapide depuis 1980, essentiellement dans les pays d'Afrique subsaharienne. Jusqu’ici, les connaissances épidémiologiques sur l’UB étaient fondées sur des séries de cas cliniques non confirmés par laboratoire. Nous avons constitué la plus grande cohorte de cas confirmés à ce jour rassemblant plus de 1200 patients traités au CDTUB de Pobè au Bénin entre 2005 et 2011, afin de décrire l'épidémiologie clinique de la maladie et d'explorer l’architecture génétique de la susceptibilité à cette maladie. Les patients atteints d’UB sont des enfants (âge médian au diagnostic de 12 ans), présentant une lésion unique (96%), large (plus de 15 cm, 36%), ulcérative (66%) du membre inférieur (60%). Nous rapportons une présentation clinique atypique de l’UB, dans laquelle les patients présentent exclusivement une ostéomyélite à M. ulcerans. Le sex-ratio varie avec l’âge : les garçons sont majoritaires parmi les enfants (57% de patients masculins chez les moins de 15 ans), et les femmes parmi les adultes (33% de patients masculins). La présentation clinique dépend de l’âge et du sexe. 9% des patients masculins ont présenté une ostéomyélite contre 4% des patients féminins. Un an après la fin du traitement, 22% des patients présentent des séquelles fonctionnelles fixées. Une présentation clinique comportant une lésion oedémateuse, osseuse, de grande taille ou plusieurs lésions est significativement associée avec le développement de séquelles fonctionnelles (OR 7.64, IC95% [5.29-11.31]). Les patients coinfectés par le VIH ont un risque significativement plus élevé de développer un UB sévère (OR 2.77, IC95% [1.32-6.33]). Nous avons exploré l’architecture génétique de la susceptibilité à l’UB dans une perspective mendélienne et une perspective complexe. Le cas le plus sévère de la maladie observé dans ce centre appartient à une famille consanguine dans laquelle la ségrégation du phénotype suggère un défaut génétique mendélien récessif. Une analyse de liaison génétique par cartographie d'homozygotie suggère l’implication du locus des béta-défensines sur le chromosome 8 dans la pathogénèse de l'UB, et mène à l’identification d’une délétion homozygote ségrégeant parfaitement avec la maladie. Dans une perspective complexe, une étude d’association pangénomique a été réalisée après génotypage d’une cohorte de 400 cas et 400 témoins exposés sur plus de 2 millions de SNPs par la puce Illumina Omni2.5 et a permis l’identification de nombreux signaux d’intérêt. L’étude de réplication est en cours. La compréhension de la physiopathologie de l'infection à M. ulcerans est cruciale pour générer de nouvelles pistes thérapeutiques et vaccinales. La dissection du contrôle génétique de l'infection par l'hôte est en ce sens indispensable. / Buruli ulcer (BU), caused by Mycobacterium ulcerans, is the third most frequent mycobacteriosis worldwide. It has been rapidly emerging in sub-Saharan African countries since 1980. Until now, knowledge of BU epidemiology relied on series of non laboratory-confirmed clinical cases. From 2005-2011, we recruited the current largest cohort of laboratory-confirmed cases (more than 1,200 patients) at the Pobe CDTUB, Benin, to describe the clinical epidemiology of the disease and to explore the genetic architecture of human susceptibility to BU. Typically, patients with BU were children (median age at diagnosis 12 years) presenting with a unique (96%) large (≥15 cm, 36%) ulcerative (66%) lesion of the lower limb (60%). Atypical clinical presentation of BU included osteomyelitis with no identifiable present or past BU skin lesions. The sex ratio of BU widely varied with age, with male patients accounting for 57% of patients aged 15 years and younger, but only 33% of those older than 15 years. Clinical presentation of BU was significantly dependent on age and sex. 9% male patients had BU osteomyelitis, whereas only 4% of female patients did. 1 year after treatment, 22% of patients with follow-up information presented with permanent functional sequelae. Presentation with oedema, osteomyelitis, or large (≥15 cm in diameter), or multifocal lesions was significantly associated with occurrence of permanent functional sequelae (OR 7•64, 95% CI 5•29–11•31) and operationally defines severe BU. When coinfected with HIV, patients had a significantly higher risk to develop severe BU (OR 2.77, IC95% [1.32-6.33]). We explored the genetic architecture of susceptibility to BU in both mendelian and complex genetic frameworks. The most severe case of the disease to have been treated at the Pobe CDTUB belonged to a consanguineous family in which the segregation of the phenotype was indicative of a recessive mendelian genetic defect. Genetic linkage analysis by homozygosity mapping suggested the implication of the beta-defensin locus on chromosome 8 in BU pathogenesis and lead to the identification of a homozygous deletion, which co-segregated perfectly with the disease in the family. In a complex genetics approach, we undertook a genome-wide association study, which involved the genotyping of more than 2 million SNPs (Illumina Omni2.5) in a cohort of 400 cases and 400 exposed controls. We identified many signals of interest. The replication study is ongoing. Understanding BU physiopathology is crucial to the development of efficient vaccines and drugs. Dissection of the genetic control of the infection by M. ulcerans by its human host therefore constitutes an indispensable step.