Streptococcus thermophilus est une bactérie lactique utilisée dans l’industrie laitière pour la fabrication de yaourts et de divers fromages. S. thermophilus se développe en chaîne de cellules. Le mécanisme de la séparation des cellules n’est pas connu chez S. thermophilus. Un mutant de S. thermophilus présentant des chaînes de cellules extrêmement longues a été caractérisé. Le gène identifié est nommé cse pour cell separation. La particularité de cse est qu’il résulte d’un réassortiment de modules. En effet, l’analyse a montré que son extrémité 5’ est homologue à celle de sip de S. salivarius, tandis que son extrémité 3’ est homologue à celle de pcsB de S. thermophilus. Le gène cse spécifique de S. thermophilus code une protéine modulaire. A son extrémité N-terminale, Cse possède un peptide signal et un domaine de liaison à la paroi, LysM. Et à son extrémité C-terminale, Cse possède un domaine CHAP, présent dans les hydrolases du peptidoglycane. Dans cette étude, la localisation de Cse à la surface des cellules de S. thermophilus a été réalisée par microscopie électronique à transmission et immunofluorescence à l’aide d’anticorps dirigés contre cette protéine. Cse est localisée spécifiquement aux septa matures de S. thermophilus. De plus, l’activité de Cse a été démontré par zymogramme et présente une activité lytique qui est conférée par son domaine CHAP. L’analyse par RP-HPLC des muropeptides de la paroi de S. thermophilus après digestion avec le domaine CHAP a révélé que Cse est une hydrolase du peptidoglycane et plus précisément une endopeptidase. L’ensemble de ces résultats montre que Cse est l’enzyme majeure de la séparation cellulaire de S. thermophilus. / Streptococcus thermophilus is a lactic bacteria used a stater of fermentation in dairy factories for the production of yogurt and many cheeses. S. thermophilus grows as chains of ovoid cells. However, the genetic basis of S. thermophilus cell separation is still unknown. A S. thermophilus mutant displaying extremely long chains of cells was characterized and demonstrated to be impaired a gene that we named cse for cell separation. The originality of this gene is that cse creation resulted from domain shuffling. Indeed, the analysis has revealed that its 5’extremity has homology with that of sip from S. salivarius, while its 3’extremity shares homology with pcsB from S. thermophilus.The cse gene specific from S. thermophilus, encodes a modular protein. The N-terminal end of Cse contains a secretion signal and cell-wall binding LysM domain. Its C-terminal end includes a CHAP domain found in bacterial cell-wall hydrolases. In this study, the localization of Cse on S. thermophilus cell surface has been undertaken by immunogold electron and immunofluorescence microscopies using of antibodies raised against this protein. Immunolocalization shows that the presence of the Cse protein at mature septa. Moreover, the CHAP domain of Cse exhibits a lytic activity on the cell wall of S. thermophilus that has been demonstrated by zymogram. Additionally, RP-HPLC analysis of muropeptides released from S. thermophilus after digestion with the CHAP domain shows that Cse is a cell wall hydrolase that can function as an endopeptidase. Alltogether, these results suggest that Cse is a major cell wall hydrolase involved in daughter cell separation of S. thermophilus.

La communication intercellulaire se produit non seulement chez les eucaryotes, mais aussi chez certaines bactéries. Un tel exemple est la cyanobactérie filamenteuse Anabaena sp. PCC 7120, capable de former des hétérocystes suite à une carence en azote combiné. Un filament d'Anabaena est coordonné comme une unité multicellulaire; comment les cellules communiquent-elles le long de chaque filament et comment échangent-elles des ressources nutritionnelles demeurent des mécanismes encore mal élucidés. Des études récentes ont démontré que des molécules de petites tailles peuvent être échangées entre les cytoplasmes à travers des jonctions intercellulaires. De plus, le périplasme semble être continu le long de chaque filament, avec une membrane extérieure commune pour toutes les cellules. Toutefois, il n’est pas déterminé si le "périplasme continu" peut servir comme une route alternative pour les échanges moléculaires le long des filaments.Dans cette étude, la propriété du périplasme chez Anabaena a été évaluée par le suivi du mouvement de protéines fluorescentes (GFP ou iLOV) en utilisant des techniques microscopiques. Les protéines fluorescentes ont été exportées vers l'espace périplasmique, soit d'un hétérocyste soit d’une cellule végétative. Nous avons pu montrer que ces protéines fluorescentes restent dans le périplasme de la cellule d’origine, et que la GFP peut diffuser librement, mais seulement dans le périplasme d'un hétérocyste ou d’une cellule végétative. Ainsi, bien que le périplasme semble être continu le long du filament, une barrière intercellulaire semble exister pour empêcher la libre diffusion des protéines à la taille de ~27 kDa (GFP) ou ~13 kDa (iLOV). La couche de peptidoglycane pourrait constituer cette barrière et nous estimons que la limite pour la diffusion à travers cette barrière se situe entre 0.53 et 13 kDa.En parallèle, les voies métaboliques des cellules végétatives et des hétérocystes ont été comparées en utilisant une approche transcriptomique. L'expression différentielle des gènes impliqués dans le métabolisme nous permet d’appréhender la nature des métabolites pouvant être échangées entres ces deux types cellulaires. / Cell-cell communication occurs not only in eukaryotes but also in bacteria. One such example is the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120, which is able to differentiate a specialized cell type named heterocyst upon nitrogen deprivation. A filament of Anabaena is coordinated as a multicellular unity; how the cells along each filament communicate and exchange resources are not yet fully understood. Recent studies demonstrated that small molecules can be rapidly exchanged from cytoplasm to cytoplasm through intercellular junctions. In addition, the periplasm appears to be continuous along each filament, with a shared outer membrane for all cells. However, whether the ‘continuous periplasm’ serves as an alternative route for molecular exchanges along the filament remains unknown. In this study, the property of periplasm in Anabaena was assessed by monitoring the movement of fluorescent proteins (GFP or iLOV) using microscopic techniques. Fluorescent proteins were exported to the periplasmic space of either a heterocyst or a vegetative cell and their diffusion was tested. We found that both GFP and iLOV remains in the producing cells, and at least GFP could diffuse freely in the periplasm of a heterocyst or a vegetative cell but failed to cross cell borders. Thus although periplasm appears to be continuous along the filament, barriers exist to prevent free diffusion of proteins up to the size of ~27 kDa (GFP) or ~13 kDa (iLOV). One candidate as diffusion barrier in the periplasm may be the peptidoglycan and we estimate the limit for diffusion of the barrier in the range between 0.53 to 13 kDa. In parallel, the biosynthetic pathways operating in vegetative cells and heterocysts were compared using oligonucleotide microarray. Differential expression of the genes involved in amino acids metabolism give clues as to which nitrogen-containing compounds might serve as the transfer vehicle in cell-cell exchanges.

L'acquisition et le maintien de la forme bactérienne ont été consciencieusement étudiés pendant une très longue période. Néanmoins, il reste encore beaucoup de questions sans réponse. Les bactéries Gram-positives présentent une couche externe rigide (la paroi cellulaire) qui permet de préserver la pression osmotique interne et la morphologie cellulaire. La paroi cellulaire (CW) est principalement formée par un maillage de polymères de sucres, le peptidoglycane (PG), sur lequel sont accrochés des acides téichoïques. L'absence de cette barrière essentielle provoque la perte de forme et, finalement, la lyse de la cellule. L’intégrité du CW est par conséquent d'une importance vitale pour les bactéries. La structure ainsi que la synthèse correcte du CW dépendent de supposées machineries d'élongation du peptidoglycane (PGEM) chargées d’assembler le réseau du PG. Le fonctionnement et la composition des PGEMs restent incertains, mais on sait qu’ils dépendent d’une protéine essentielle : MreB, une protéine procaryote similaire à l'actine. MreB est suspectée de contrôler l’activité et/ou l’assemblage des PGEMs, mais sa fonction exacte comme son mode de régulation sont actuellement inconnus. J’utilise Bacillus subtilis, le modèle des bactéries Gram-positives, pour mieux comprendre les fonctions de MreB via i- le développement et l’utilisation d’un criblage génétique pour l’identification de mutants de mreB non fonctionnels et ii- l'étude d'un effecteur potentiel de MreB.(i) MreB a été étudié pendant près de deux décennies et pourtant, sa (ses) fonction(s) reste(nt) mal comprise(s). Comme les approches biochimiques se sont révélées particulièrement difficiles jusqu'à présent, la plupart des études se sont concentrées sur la localisation cellulaire et la dynamique de la protéine. Au cours de mes travaux, j’ai conçu un criblage génétique au moyen duquel j’ai obtenu une collection de mutants de mreB fonctionnellement déficients, chez B. subtilis. La caractérisation de ces mutants a révélé de nombreux résidus importants pour le fonctionnement de la protéine. De façon intéressante, mes résultats indiquent que certains mutants ont conservé leurs propriétés dynamiques (suggérant une association fonctionnelle aux PGEMs) en plus d'une morphologie de type sauvage, tout en étant fortement affectés pour la croissance. Des résultats préliminaires indiquent que ces mutants sont compromis dans leur capacité à utiliser certaines sources de carbone, reliant MreB au métabolisme cellulaire. Ceci suggère l'existence soit d'un point de contrôle, soit d'un couplage entre le métabolisme du carbone et l'expansion du CW chez B. subtilis.(ii) Des résultats non publiés de notre groupe ont révélé l'existence d'un opéron non caractérisé (ydcFGH) dont l'expression est fortement induite en absence de MreB, par comparaison à la souche sauvage. J’ai 1- mis en évidence la cause probable de l’induction de cet opéron en l’absence de MreB, révélant ainsi l’existence de nombreuses mutations dans la souche MreB et 2- réalisé une caractérisation poussée de chaque gène de l'opéron ydcFGH. Bien que le lien exact entre MreB et ydcFGH soit encore inconnu, nos résultats suggèrent un rôle potentiel d’YdcH dans le contrôle du métabolisme du carbone et l'adaptation à la phase stationnaire. À la lumière de mes données issues du criblage génétique (i), ces résultats indiquent un lien fort entre MreB et le métabolisme du carbone. / Acquisition and maintenance of the bacterial shape has been conscientiously studied for a long time. Nevertheless, there are still many unanswered questions. Gram-positive bacteria present a rigid external coating (cell wall) that allows them to preserve internal osmotic pressure and cell morphology. The cell wall (CW) is mainly formed by the peptidoglycan meshwork (PG), that confers its structure to the CW, to which are connected teichoic acids. The absence of this essential barrier causes the loss of shape and, ultimately, lysis of the cells. Integrity of the CW is, therefore, a matter of vital importance for bacteria. Proper CW synthesis and structure depends on the so-called peptidoglycan elongation machineries (PGEM) in charge of building the PG meshwork. The precise composition and functioning of the PGEM is not completely understood but they rely on a key player: MreB, a conserved prokaryotic actin-like protein. MreB is suspected to control PGEM activity and/or assembly but its precise function and mode of regulation are currently unknown. I used Bacillus subtilis, the model for Gram-positive bacteria, to gain a better understanding of MreB functions via i- the development and use of a genetic screen for loss-of-function mutants of mreB and ii- the study of a potential effector of MreB.(i) MreB has been studied for almost two decades now and still, little is known about its function(s). Since biochemical approaches proved to be difficult so far, most of the studies have focused on cellular localization and dynamics of the protein. Here, I have designed a genetic screen by means of which I have obtained a collection of functionally impaired mreB mutants in B. subtilis. Characterization of these mutants revealed numerous key residues for the functioning of the protein. Interestingly, my results indicate that some mutants have kept their dynamic properties (suggesting functional association to the PGEM) together with a wild type shape, while being strongly affected for growth. Preliminary results indicate an impaired ability to use certain carbon sources linking MreB to cellular metabolism. This suggests the existence of either a checkpoint or a coupling between carbon metabolism and CW expansion in B. subtilis.(ii) Unpublished results from our group revealed the existence of an uncharacterized operon (ydcFGH), whose expression is highly induced in the absence of MreB by comparison to the wild type. I have 1- deciphered the cause of ydcFGH induction in the absence of MreB, revealing the existence of multiple mutations in the MreB strain and 2- realized a thorough characterization of each gene of the ydcFGH operon. Although the exact link between MreB and ydcFGH is yet unknown, my results suggest a potential role of YdcH in the control of carbon metabolism and adaptation to stationary phase. In light of my mutagenesis screen data (i), these results are pointing towards a strong link between MreB and carbon metabolism.

La drosophile se défend contre les infections microbiennes par un ensemble de réponses immunitaires très efficaces comme la synthèse de peptides antimicrobiens. L’expression de ces peptides antimicrobiens est contrôlée par deux voies indépendantes : la voie Toll et la voie IMD. La voie IMD est activée par PGRP-LC, une protéine de la famille PGRP (Peptidoglycan Recognition Protein). PGRP-LF est un régulateur négatif spécifique de la voie IMD. Il a été proposé que cette protéinepourrait agir spécifiquement au niveau du récepteur PGRP-LC, en séquestrant le ligand peptidoglycane (PGN) et en empêchant son accès à PGRP-LC. Mon travail de thèse a été de résoudre la structure des deux domaines PGRP de PGRP-LF, LFz et LFw, dans le but de caractériser le mécanisme de régulation par cette protéine.J’ai exprimé le domaine LFz dans des cellules S2 et le domaine LFw dans des bactéries. J’ai résolu la structure cristallographique de LFz à la résolution de 1.72Å et celle de LFw à la résolution de 1.94Å. Les structures de LFz et LFw montrent qu’elles ne possèdent pas la crevasse de liaison classique des PGRP, et ne peuvent pas interagir avec le PGN. J’ai confirmé ces résultats structuraux par des étudesbiochimiques de liaison des ces domaines à du PGN insoluble. L’aspect de régulation par PGRP-LF, par une séquestration du PGN, n’est donc valide. J’ai cloné et exprimé dans des cellules S2 les protéines PGRP-LCx et PGRP-LCa (partenaire du complexe activateur de la voie IMD) dans le but d’étudier leur interaction avec PGRP-LF. J’ai mis en évidence, par des analyses de résonnance plasmonique de surface, une interaction entre PGRP-LF et PGRP-LCx en absence et en présence duPGN. Ces données nous permettent de proposer un modèle dans lequel PGRP-LF assure la régulation négative de la voie IMD par compétition avec PGRP-LCa pour la liaison au récepteur PGRP-LCx. / The fruit fly defends itself against microbial infections by a set of highly effective immune responses that involve the synthesis of antimicrobial peptides. The expression of these antimicrobial peptides is controlled by two independent pathways: the Toll pathway and the IMD pathway. The IMD pathwayis activated by PGRP-LC, a protein of the PGRP family (Peptidoglycan Recognition Protein). PGRPLF is a specific negative regulator of the IMD pathway. It has been proposed that this protein specifically acts at the receptor PGRP-LC, by sequestering peptidoglycan (PGN) and preventing its access to PGRP-LC. My thesis work aims to solve the structure of the two PGRP domains of PGRPLF, LFz and LFw, in order to characterize the mechanism of regulation by this protein. I have expressed the LFz domain in S2 cells and the LFw domain in bacteria. I have solved the crystalstructure of LFz at 1.72 Å resolution and that of LFw at 1.94Å resolution. Structures of LFz and LFw show they do not possess the classical binding cleft found in others PGRP, and cannot interact with the PGN. I have confirmed these structural results with biochemical studies of binding of these domains with insoluble PGN. The model of regulation by PGRP-LF, by a sequestration of PGN, is no longer valid. I have cloned and expressed in S2 cells PGRP-LCx and PGRP-LCa proteins (partners of theactivating complex of the IMD pathway) in order to elucidate whether there is direct interaction between PGRP LF and one of two isoforms of PGRP-LC. I have demonstrated, through Surface Plasmon Resonance analysis, an interaction between PGRP-LF and PGRP-LCx. Actually, PGRP-LF regulates negatively the IMD pathway by competing with PGRP-LCa to bind to the PGRP-LCx receptor.

Le peptidoglycane (PG) est le composant majeur de la paroi des bactéries à Gram positif. Il assure la forme et l’intégrité de la cellule bactérienne. Le PG ou des fragments dérivés sont connus pour être des inducteurs du système d’immunité innée de l’hôte, en particulier au travers des récepteurs Nod2. Au cours de ce travail, nous avons étudié l’influence du métabolisme du PG sur les propriétés immunomodulatrices de Lactobacillus casei BL23, en étudiant principalement sa capacité à moduler la réponse des cellules dendritiques humaines. Nous avons tout d’abord caractérisé les hydrolases du PG (PGHs) majeures de L. casei BL23. Une recherche in silico a révélé que L. casei possède un système de PGHs relativement complexe comprenant treize enzymes putatives avec des domaines catalytiques variés. Une analyse protéomique d’extraits de paroi de L. casei BL23 a permis de détecter la production de sept d’entre elles pendant la croissance bactérienne. Quatre d’entre elles ont été étudié plus en détails. La PGH la plus fortement exprimée, Lc-p75, a une activité de -D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase et est responsable de la séparation des cellules après division. De plus, Lc-p75 associée à la paroi est localisée au niveau des septa cellulaires. Il s’agit également de l’une des protéines majeures secrétée dans le surnageant de culture de L. casei BL23. Lc-p75 possède la particularité d’être une glycoprotéine. La PGH Lc-p40 possède un domaine CHAP doué d’une activité endopeptidase avec un site de clivage situé au niveau des ponts interpeptidiques du PG. Lc-p40 parait localisée au niveau de la paroi latérale des cellules de L. casei. Lc-p45 est une deuxième -D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase avec un rôle dans le maintien de la forme de la bactérie. Enfin nous avons caractérisé deux enzymes de prophages, Lc-Lys et Lc-Lys2, codée par le génome de L. casei BL23, qui possède toute deux un domaine de liaison au PG d’un nouveau type qui possède la particularité de lier spécifiquement le D-Asp amidé présent dans les ponts interpeptidiques du PG de L. casei BL23. La délétion des deux gènes qui codent pour les endopeptidases Lc-p75 et Lc-p45 chez L. casei BL23 conduit à l’absence de disaccharide dipeptide dans la structure du PG du mutant, tandis que la délétion de Lc-p75 seulement conduit à une réduction de la quantité du disaccharide-dipeptide. Ce disaccharide dipeptide est un ligand des récepteurs Nod2. Les deux mutants obtenus par délétion de Lc-p75 ou bien par délétion des deux endopeptidases ont été comparés avec la souche sauvage BL23 pour leur capacité à activer in vitro des cellules dendritiques humaines dérivées de monocytes sanguins. Suite à l’activation des cellules dendritiques par les souches de L. casei, quatre cytokines pro-inflammatoires, les interleukines IL-6, IL-8, IL-12 et le TNF- ont été produites. La quantité de chaque cytokine sécrétée en réponse aux mutants simple Lc-p75 et double Lc-p75/Lc-p45 était diminuée par rapport à celle induite par la souche sauvage L. casei BL23.En conclusion, L. casei BL23 est doté d’un équipement complexe en PGHs. Les PGHs caractérisées au cours de ce travail présentent des caractéristiques uniques et jouent un rôle important dans la division des bactéries ainsi que dans le maintien de leur morphologie. Nos résultats indiquent que la souche sauvage de L. casei Bl23 et les mutants dérivés obtenus par inactivation d’enzymes à activité endopeptidase, qui diffèrent à la fois au niveau de leur contenu enzymatique ainsi qu’au niveau de la structure de leur PG, ont des effets différents sur les cellules dendritiques humaines, avec un caractère anti-inflammatoire plus élevé pour les mutants / Peptidoglycan (PG) is the major component of the Gram-positive bacteria cell wall. It ensures bacterial cell shape and integrity. PG or PG-derived fragments have been shown to stimulate the host innate immune system, through Nod-2 receptors. In this work, we studied the influence of PG metabolism on immunomodulatory properties of Lactobacillus casei BL23, mainly its ability to modulate the response of human dendritic cells (DCs).We have first characterized the main peptidoglycan hydrolases (PGHs) of L. casei BL23. In silico search revealed that L. casei BL23 has a rather complex PGH complement including thirteen predicted PGHs with various catalytic domains. Proteomic analysis of bacterial cell wall extracts revealed the expression of seven of them during bacterial growth. We characterized four of them in details. Lc-p75 is the major PGH with a γ-D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase specificity and is responsible for daughter cell separation. Lc-p75 associated to the cell wall localizes at the cell septa. It is also one of the major secreted proteins of L. casei found in culture supernatant. Besides, we showed that L. casei Lc-p75 is a glycosylated protein. Lc-p40 is a PGH with a CHAP-domain endowed with endopeptidase hydrolytic specificity toward peptidoglycan cross-bridges and appears to localize on lateral cell wall. Lc-p45 is a second γ-D-glutamyl-L-lysyl endopeptidase with a role in cell shape maintenance. We further demonstrated that two prophage endolysins Lc-Lys and Lc-Lys2, encoded in L. casei BL23 genome, share a common novel type peptidoglycan-binding domain that recognizes specifically D-Asn cross-bridge, present in L. casei BL23 peptidoglycan.Deletion of the two endopeptidases, Lc-75 and Lc-p45, resulted in a complete loss ofdisaccharide-dipeptide, which is a ligand of Nod-2 receptor, in the muropeptide structure of L. casei BL23, whereas deletion of Lc-p75 gene led only to a reduction of disaccharide dipeptide. The two PGH-mutants, obtained by deletion of Lc-p75 gene alone or both Lc-p75 and Lc-p45 endopeptidase genes were compared with wild type L. casei BL23 for their capacity to stimulate signaling pathways in vitro in DCs derived from human monocytes. As a consequence of DC activation by L. casei strains, four pro-inflammatory cytokines IL-6, IL-8, IL-12 and TNF-α were produced. The concentrations of secreted cytokines in response to the single Lc-p75 and Lc-p75/p45 double mutant were lower than those induced by wild type L. casei BL23.In conclusion, L. casei BL23 has a complex PGH complement. The PGHs described in this work present unique features and play important role in cell division and morphology of L. casei. Our results indicate that wild type L. casei and endopeptidase-negative mutants, which differ in their PGH content and in their PG structure, have distinct effects on human DCs, with a higher anti-inflammatory character of the endopeptidase-negative mutants.

L’émergence de formes multirésistantes de tuberculose et la résistance intrinsèque de Mycobacterium abscessus à de nombreux anti-infectieux imposent l’identification de nouveaux antibiotiques et de nouvelles stratégies thérapeutiques. Les mycobactéries sont naturellement peu sensibles aux β-lactamines par production d’une β-lactamase et de cibles atypiques de faible affinité, les L,D-transpeptidases, qui sont efficacement inactivées par une seule classe de β-lactamines, les carbapénèmes. L’objectif de la thèse est d’étudier le mode d’action des β-lactamines afin de proposer des stratégies permettant d’optimiser ces antibiotiques. Pour comprendre la spécificité des L,D-transpeptidases vis-à-vis des carbapénèmes, nous avons étudié la cinétique et le mécanisme de la réaction d’inactivation de ces enzymes par différentes méthodes de spectroscopie en flux arrêté. Nos résultats indiquent que l’efficacité des carbapénèmes est due à leur capacité à former rapidement un intermédiaire tétrahédrique et à la stabilité de l’acylenzyme. La spécificité des L,D-transpeptidases pour les carbapénèmes ne dépend pas de leurs chaînes latérales, qui pourraient être modifiées pour améliorer les propriétés pharmacologiques de ces antibiotiques. Chez M. abscessus, nous avons identifié un inhibiteur de la β-lactamase, l’avibactam, qui augmente l’activité de certaines β-lactamines in vitro, en intracellulaire et dans un modèle d’infection du poisson zèbre. Nos résultats montrent que les β-lactamines peuvent être optimisées pour le traitement des infections dues aux mycobactéries multirésistantes par l’amélioration de l’inactivation des cibles ou l’inhibition des β-lactamases. / The emergence of multidrug-resistant tuberculosis and the intrinsic resistance of Mycobacterium abscessus to most antibiotics require the identification of new drugs and new therapeutic strategies. Mycobacteria are naturally poorly susceptible to β-lactam antibiotics due to production of a β-lactamase and of atypical low-affinity targets, the L,D-transpeptidases, which are effectively inactivated by a single class of β-lactams, the carbapenems. The aim of the thesis is to study the mode of action of β-lactams to propose strategies for the optimization of these antibiotics. To understand the specificity of L,D-transpeptidase for carbapenems, we have studied the kinetics and mechanism of inactivation of these enzymes using various stopped-flow spectroscopic methods. Our results indicate that the efficacy of carbapenems is due to their ability to rapidly form a tetrahedral intermediate and to the stability of the acylenzyme. The specificity of the L,D-transpeptidases for carbapenems does not depend upon the side chains of the drugs, which may be modified to improve their pharmacological properties. In M. abscessus, we have shown that the β-lactamase inhibitor avibactam increases the activity of various β-lactams in vitro, intracellularly, and in zebrafish model. Our results show that β-lactams can be optimized for the treatment of infections due to multidrug-resistant mycobacteria by improving inactivation of the targets and by inhibiting the β-lactamases.

La résistance bactérienne aux antibiotiques est un problème majeur de santé publique. Un moyen de la combattre est de viser des cibles non encore exploitées pour retarder l’apparition de la résistance. Dans ce contexte, nous avons entrepris la caractérisation sur les plans biochimique et structural de l’enzyme MraY, une protéine intégrale de membrane, membre d’une famille de transférases membranaires. MraY catalyse la première étape membranaire de la biosynthèse du peptidoglycane bactérien à savoir, le transfert du motif N-acétylmuramoyl-pentapeptide du précurseur cytoplasmique UDP-MurNAc-pentapeptide sur le transporteur membranaire, l’undécaprényl-phosphate aboutissant à la formation du lipide I. Aucune structure 3D de cette enzyme n’est disponible actuellement et aucun antibiotique en utilisation clinique ne la cible. D’une part nous avons entrepris la caractérisation structurale de cette enzyme par des approches de biophysique. Des essais de cristallisation 2D dans des systèmes membranaires ont permis d’observer au microscope électronique des dimères de MraY (taille de 70Å/50Å). Des expériences de diffusion des rayons X (SAXS) montrent un rayon de giration d’environ 42Å. Les résultats issus des expériences de SAXS ont été combinés à des approches de modélisation afin déterminer l’état d’oligomérisation de cette protéine en présence de détergents. Enfin, en vue de faciliter la cristallogenèse 3D, des chimères de MraY en fusion avec des protéines hydrosolubles de structure 3D résolues (mCherry et GFP) ont été construites. Des essais de cristallisation de la protéine seule et des chimères construites ont été effectués.D’autre part, nous avons élucidé le mécanisme catalytique de l’enzyme MraY et de son paralogue WecA. Au cours de ma thèse, j’ai pu montrer que cette famille de transférase membranaire présente un mécanisme catalytique commun qui procède en une seule étape par attaque directe d’un oxyanion du substrat lipidique, préalablement déprotoné par un résidu aspartate invariant, sur le phophate Beta du substrat nucléotidique. Cela conduit à la formation du produit lipidique et libération de l’UMP. / The growing emergence of multiresistance of pathogenic bacteria to currently used antibiotics is a major public health problem that requires the development of new therapeutic compounds and the identification and exploitation of novel targets. In this context, we undertook the biochemical and structural characterization of MraY enzyme, an integral membrane protein, member of the polyprenyl-phosphate N-acetylhexosamine 1-phosphate transferase superfamily. The MraY transferase catalyzes the first membrane step of bacterial cell wall peptidoglycan biosynthesis, namely the transfer of the N-acetylmuramoyl-pentapeptide moiety of the cytoplasmic precursor UDP-MurNAc-pentapeptide to the membrane transporter undecaprenyl phosphate, yielding C55-PP-MurNAc-pentapeptide (lipid I). To date, no crystal structure has been reported for this enzyme. On the one hand we have undertaken the structural characterization of this enzyme by differents biophysical approaches. Electron microscopic images after two-dimensional crystallization of the protein displayed a dimeric organisation of the MraY enzyme (size 70Å/50Å). Small X-ray scattering (SAXS) experiments have shown a radius of gyration of about 42A. The results of SAXS experiments were combined with modeling approaches to determine the oligomerization state of the protein in the presence of detergents. Finally, in order to facilitate 3D crystallisation of MraY, fusion proteins of MraY and mCherry/GFP were constructed. Crystallization trials of MraY alone and the constructed chimeras were made. On the other hand, we have elucidated the catalytic mechanism of the MraY transferase and its paralog WecA. In this study, we have shown that this family of membrane transferases has a common catalytic mechanism that proceeds by a single step displacement. During this “one-step” mechanism, the oxyanion of the poly-prenyl phosphate attacks the β phosphate of the nucleotide substrate, leading to the formation of lipid product and the liberation of UMP.

C. difficile est une bactérie anaérobie du tube digestif reconnue comme l’agent responsable de 25% des diarrhées nosocomiales post antibiotiques et de la plupart des colites pseudomembraneuses. Le métronidazole et la vancomycine sont les traitements de référence pour les infections liées à ce pathogène. A ce jour, aucune souche de C. difficile résistante à la vancomycine n’a été rapportée. Paradoxalement, 85 % des souches de cette espèce hébergent dans leur génome un groupe de gènes cryptiques vanGCd homologue à l’opéron de résistance à la vancomycine vanG de E. faecalis. Dans ce travail, nous avons étudié la capacité des gènes vanGCd à conférer la résistance à la vancomycine. L’étude transcriptionnelle a révélé que le groupe de gènes vanGCd est transcrit en deux opérons (i) l’un de régulation exprimé de façon constitutive et (ii) l’autre de résistance, inductible par la vancomycine. L’analyse enzymatique de VanGCd, VanXYCd et VanTCd in vitro a montré que ces protéines possèdent respectivement des activités ligase, D,D-peptidase et racémase nécessaires au pontage D-Ala-D-Ser et à l’hydrolyse des dipeptides naturels D-Ala-D-Ala. L’analyse des précurseurs du peptidoglycane par spectrométrie de masse en présence de vancomycine a permis l’identification de l’UDP-MurNAc-pentapeptide [Ser] témoin de l’activité in vivo de ces protéines. L’opéron de résistance vanGcd cloné chez E. coli NR698 sensible à la vancomycine exerce un très faible effet sur la CMI de cet antibiotique. En revanche, le clonage chez E. faecalis n’a pas été obtenu en raison de mutations spontanées. Pour ces raisons, nous avons introduit l’opéron vanC de E. gallinarum chez C. difficile et observé une faible augmentation de la CMI de la vancomycine. Ce résultat indique que l’expression de la résistance à cet antibiotique chez C. difficile implique des facteurs intrinsèques liés à la bactérie. Nous avons observé que la ligase MurF possède une meilleure affinité vis-à-vis du dipeptide D-Ala-D-Ala que pour le dipeptide D-Ala-D-Ser ce qui pourrait impacter la synthèse de l’UDP-MurNAc-pentapeptide[Ser]. Par ailleurs, nous avons observé qu’en présence de vancomycine, les précurseurs du peptidoglycane sont amidés. Cette modification affecte également le peptidoglycane mature. Toutefois, le rôle physiologique de l’amidation chez C. difficile reste à élucider. En conclusion, (i) l’absence d’expression de la résistance à la vancomycine de C. difficile est multifactorielle, (ii) le groupe de gènes vanGCd a peu de potentiel pour contribuer à l’émergence de la résistance à la vancomycine. / Clostridium difficile is a major enteric pathogen responsible for 25% of post antibiotics diarrhea and most cases of pseudomembranous colitis. Metronidazole and vancomycin are the standard treatments for infected patients. vanGCd, a cryptic gene cluster highly homologous to the vanG gene cluster of Enterococcus faecalis is largely spread in Clostridium difficile. Since emergence of vancomycin resistance would have dramatic clinical consequences, we have evaluated the capacity of the vanGCd cluster to confer vancomycine resistance. We showed that expression of vanGCd is inducible by vancomycin and that VanGCd, VanXYCd and VanTCd are functional, exhibiting D-Ala:D-Ser ligase, D,D-dipeptidase and D-Ser racemase activities, respectively. In other bacteria, these enzymes are sufficient to promote vancomycin resistance. Trans-complementation of C. difficile with the vanC resistance operon of Enterococcus gallinarum faintly impacted the MIC of vancomycin, but did not promote vancomycin resistance in C. difficile. Sub-lethal concentration of vancomycin led to production of UDP-MurNAc-pentapeptide [D-Ser], suggesting that the vanGCd gene cluster is able to modify the peptidoglycan precursors. Our results indicated amidation of UDP-MurNAc-tetrapeptide, UDP-MurNAc-pentapeptide[D-Ala] and UDP-MurNAc-pentapeptide[D-Ser]. This modification is passed on the mature peptidoglycan where a muropeptide Tetra-Tetra is amidated on the meso-diaminopimelic acid. We also demostrated that the ligase MurF has a better affinity for the D-Ala-D-Ala dipeptide than for the D-Ala-D-Ser, which could impact on the synthesis of UDP-MurNAc-pentapeptide [Ser].In conclusion, the lack of vancomycin resistance expression may be due to several factors that, in combinination with a gene cluster conferring a low level vancomycin resistancemay prevent the emergence of vancomycin resistance based on D-Ala- D-Ser modification of peptidoglycane precursors in C. difficile.

L'objectif de ma thèse était de réaliser une étude de la synthèse de la paroi de Streptococcus pneumoniae, paroi qui participe à la croissance et la division bactérienne et fait intervenir les « Penicillin-Binding Proteins » (PBPs). J'ai étudié la localisation du répertoire complet des six PBPs au cours du cycle cellulaire de S. pneumoniae, ce qui a révélé des similitudes inattendues entre les mécanismes de division des bactéries de type bacille et coque. J'ai déterminé le rôle spécifique de chaque PBP dans la synthèse de la paroi et mis en valeur la contribution de PBP3, une D,D-carboxypeptidase, dans la régulation de la division bactérienne. J'ai par ailleurs déterminé la structure tridimensionnelle de PBP3 à 2.8 Å de résolution, ce qui m'a permis de contraindre les modèles de synthèse de la paroi chez le pneumocoque.

Le peptidoglycane est un composant majeur de la paroi cellulaire bactérienne dont l'intégrité est essentielle à la survie cellulaire. La biosynthèse du peptidoglycane est un processus régulé faisant intervenir des enzymes de synthèse, les « Penicillin-Binding Proteins », et des hydrolases qui agissent, selon toute vraisemblance, de façon concertée lors de la croissance et de la division bactérienne. La comparaison des génomes bactériens a permis d'identifier un nouveau domaine protéique, probablement impliqué dans le clivage du peptidoglycane, présent uniquement chez les bactéries à Gram positif : le domaine PECACE (PEptidoglycan CArbohydrate Cleavage Enzyme). Ce domaine, prédit pour avoir un repliement tridimensionnel analogue aux domaines catalytiques de la transglycosylase lytique Slt70 d'Escherichia coli et du lysozyme de type G d'oie, pourrait participer au clivage de la liaison glycosidique β(1-4) entre les résidus acide N-acétyl-D-muramique et N-acétyl-D-glucosamine du peptidoglycane. Chez la bactérie pathogène Streptococcus pneumoniae, ce domaine est présent dans la région extracellulaire d'une protéine que nous nommons Pmp23 (Pneumococcal Membrane Protein). La forme recombinante de cette protéine membranaire bitopique de 23 kDa dégrade in vitro des extraits bactériens contenant du peptidoglycane. L'inactivation du gène pmp23 chez S. pneumoniae modifie le comportement de la bactérie en culture, accroît sa sensibilité aux antibiotiques de la famille des β-lactamines et perturbe la localisation du site de division. Ces observations indiquent que Pmp23 est une hydrolase intervenant dans le métabolisme du peptidoglycane septal.