L'étape finale de biosynthèse du peptidoglycane est catalysée par les D,D-transpeptidases (PBPs), l'une des cibles principales des antibiotiques de type beta-lactame. Récemment, il a été montré qu'une nouvelle classe d'enzymes, les L,D-transpeptidases (LDts), permet de contourner l'inhibition des PBPs. Ces LDts ont été identifiées tant dans des bactéries résistantes aux beta-lactames que dans des formes dormantes de Mycobacterium tuberculosis. Les seuls beta-lactames capables de les inhiber, les carbapénèmes, forment une liaison covalente avec la cystéine catalytique des LDts. Ni le mécanisme de cette inactivation, ni la spécificité de ces enzymes pour les carbapénèmes ne sont toutefois expliqués à ce jour. Le but du présent travail consiste en l'investigation par RMN du mécanisme d'acylation des LDts par ces antibiotiques. Dans ce contexte, la première partie de cette thèse s'intéresse à la compréhension actuelle de l'émergence de ce phénomène de résistance. La seconde partie traite des principes de la RMN et des implémentations développées pour étudier la structure, la thermodynamique et la dynamique des LDts. La troisième et dernière partie démontre le succès de l'approche RMN dans l'étude des diverses étapes de la réaction d'acylation, à travers une étude détaillée de l'apoenzyme, de complexes non covalents avec différents beta-lactames, et de l'enzyme acylée par un carbapénème. Au cours de cette étude, la structure du site actif de l'apoenzyme de Bacillus subtilis a été affinée par rapport à une étude cristallographique antérieure. Pour cette enzyme et son pendant chez Enterococcus faecium, nous avons démontré que la spécificité pour les carbapénèmes n'intervient pas au stade de la formation du complexe non covalent. Pour finir, la formation de la liaison covalente entre LDt et carbapénème induit un réarrangement conformationnel substantiel et une augmentation de la flexibilité de l'enzyme.

Mycobacterium tuberculosis est responsable de 8,7 millions de nouveaux cas de tuberculose et de 1,4 millions de décès en 2011. L’émergence de souches résistantes aux deux antituberculeux majeurs, isoniazide et rifampicine, (MDR) et aux antibiotiques de seconde ligne (XDR), ainsi que la difficulté d’éradiquer les formes « dormantes » du bacille nécessitent la recherche de nouveaux antibiotiques. Les β-lactamines n’ont jamais été utilisées en thérapeutique car M. tuberculosis produit une β-lactamase à large spectre, BlaC. Cependant, l’association d’une β-lactamine appartenant à la classe des carbapénèmes, le méropénème, et d’un inhibiteur de β-lactamase, l’acide clavulanique, est active sur M. tuberculosis incluant des souches XDR. Notre objectif a été de caractériser les cibles des carbapénèmes qui sont atypiques chez M. tuberculosis, parce que le peptidoglycane de cette bactérie contient majoritairement (80%) des ponts interpeptidiques formés par une classe particulière de transpeptidases, les L,D-transpeptidases. Nous avons comparé les cinq L,D-transpeptidases de M. tuberculosis au niveau de leur activité in vitro dans la formation des ponts interpeptidiques du peptidoglycane et dans la réaction d’inactivation par les carbapénèmes. Nous avons ainsi pu montrer que les cinq L,D-transpeptidases sont fonctionnelles in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 sont capables de former des ponts interpeptidiques du peptidoglycane reliant l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique donneur à l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique accepteur. Ces mêmes enzymes peuvent également utiliser la D-méthionine comme accepteur dans une réaction d’échange de la D-Ala4 du substrat tétrapeptidique. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 forment un complexe covalent avec les carbapénèmes. La réaction d’inactivation des L,D-transpeptidases par les carbapénèmes se déroulent en deux étapes. Dans un premier temps, un intermédiaire covalent réversible est formé (constante catalytique k1) puis la deuxième étape aboutit à la formation de l’acylenzyme (constante catalytique k2). La détermination des constantes catalytiques d’inactivation k1 et k2 a révélé d’importantes différences entre les carbapénèmes. Excepté pour LdtMt1, l’imipénème inactive plus rapidement les L,D-transpeptidases que les autres carbapénèmes suggérant que des modifications de la chaine latérale pourraient être envisagées pour optimiser l’activité « anti-mycobactérienne » de cette classe de β-lactamines. Nous avons en parallèle initié l’étude de la régulation des L,D-transpeptidases dans différentes conditions de culture ce qui permettra à terme d’identifier les L,D-transpeptidases essentielles pour la croissance et la persistance de M. tuberculosis. Ce travail pourrait déboucher sur l’identification de cibles essentielles permettant l’éradication des formes dormantes de M. tuberculosis qui sont très difficile à traiter. / Mycobacterium tuberculosis is responsible for 8.7 million of new cases of tuberculosis (TB) and 1.4 million of deaths in 2011. The emergence of strains resistant to the two first-line anti-TB drugs, isoniazid and rifampicin, (MDR), to second line-drugs (XDR) and the difficult to kill dormant forms of the bacilli require the discovery of new anti-TB antibiotics. β-lactams are usually not considered for tuberculosis treatment since M. tuberculosis produces a broad-spectrum β-lactamase, BlaC. However, the combination of β-lactam belonging to the carbapenem class, meropenem, with β-lactamase inhibitor, clavulanate, is notably active on XDR strains. Our aim was to characterize the carbapenem targets, atypical in M. tuberculosis, since peptidoglycan of this bacteria contains a majority (80%) of cross-links formed by a special transpeptidase family, the L,D-transpeptidases. We have compared the five L,D-transpeptidases of M. tuberculosis for their in vitro activities with respect to peptidoglycan dimers formation and for inactivation reaction by carbapenems. Thus, we have showed that the five L,D-transpeptidases were functional in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 were able to form peptidoglycan cross-links binding the third amino acid of a donor tetrapeptide substrate with the third amino acid of an acceptor tetrapeptide substrate. These enzymes were also able to use D-methionine as an acceptor in exchange reaction of D-Ala4 of the donor tetrapeptide substrate. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 formed a covalent adduct with carbapenems. The inactivation reaction of L,D-transpeptidases by carbapenems proceed through two steps. In first, a reversible covalent adduct is formed (catalytic constant k1), followed by a second step leading to acylenzyme formation (catalytic constant k2). The determination of kinetic constants of inactivation k1 et k2 revealed important differences between carbapenems. Except for LdtMt1, Imipenem inactivates L,D-transpeptidases more rapidly than other carbapenems indicating that modification of the carbapenem side chain could be used to optimize their anti-mycobacterial activity. In parallel, we have started the study of the L,D-transpeptidases regulation in various culture conditions will allow identifying the L,D-transpeptidases essential for growth and persistence of M. tuberculosis. This work might lead to identification of essential targets allowing eradication of M. tuberculosis dormant forms, which are difficult to treat with conventional anti-TB drugs.

L'enveloppe cellulaire bactérienne joue plus qu'un rôle de barrière d'échange. Elle est au coeur des processus cellulaires essentiels comme la morphogenèse et la division. Cette structure abrite environ un quart des protéines codées par le génome. Le but de mon travail a été de mieux comprendre le rôle de deux protéines membranaires dans la construction et la dynamique de l'enveloppe chez Bacillus subtilis. GluP est une protéase intramembranaire rhomboïde. Ces protéases clivent des segments transmembranaires dans la membrane afin de moduler l'activité de diverses protéines. Elles participent à de nombreux processus cellulaires chez les eucaryotes. Cependant, les fonctions biologiques des rhomboïdes procaryotes sont pour l'heure presque totalement inconnues. Nos résultats suggèrent que GluP participe au contrôle qualité des protéines membranaires à la manière des pseudo-rhomboïdes associées au système ERAD eucaryote. Elle forme un complexe avec FtsH, une protéase majeure du contrôle qualité des protéines. Ce complexe est impliqué dans la dégradation d'un substrat de rhomboïde. Le rôle de GluP serait de permettre la dislocation du segment transmembranaire et faciliter la prise en charge du substrat par FtsH. Le second projet auquel j'ai participé a consisté à comprendre le rôle de la protéine CmmB dans la morphogenèse. Son absence conduit à une morphologie cellulaire élargie. CmmB semble faire partie de la machinerie de synthèse du peptidoglycane au cours de l'élongation de la paroi. Elle serait nécessaire au bon fonctionnement d'une ou de plusieurs penicillin-binding proteins (PBPs). En particulier, nous proposons que CmmB est un cofacteur de la transpeptidase PBP2a. / The bacterial cell envelope is an obligatory barrier. It is a fundamental component in essential cellular processes such as morphogenesis and cell division. It hosts about a quarter of the proteins encoded in the genome. My work was aimed at understanding the function of two membrane proteins in the building and the dynamics of the cell envelope in the model bacterium Bacillus subtilis.GluP is a rhomboid intramembrane protease. Usually, rhomboids cleave transmembrane segments within the membrane to modulate protein functions. In eukaryotes, they participate in many cellular processes and their dysfunction lead to several pathologies. However, prokaryotic rhomboid functions remain almost totally unknown. Our results suggest that GluP is involved in bacterial membrane protein quality control, in a process akin to pseudo-rhomboid dependent endoplasmic reticulum associated protein degradation in eukaryotes. GluP forms a complex with FtsH, a major protease in protein quality control. That complex is not involved in the cleavage of a membrane substrate but in its degradation. We propose that GluP is required for the dislocation of the transmembrane segment, thus facilitating full-length substrate degradation by FtsH in the cytoplasm. My thesis second objective was to understand the role of the CmmB protein in morphogenesis. The absence of CmmB leads to slightly enlarged cells. CmmB seems to belong to the peptidoglycan synthesis machinery for cell-wall elongation. Our data support the idea that it is required for the proper activity of one or several penicillin-binding proteins (PBPs). In particular, we propose that CmmB is a cofactor of the PBP2a transpeptidase.

Clostridium difficile est une bactérie anaérobie sporulante responsable de 15 à 25% des diarrhées post-antibiotiques. Les N-déacétylases sont largement distribuées parmi les bactéries à Gram positif et elles sont impliquées dans différentes fonctions de surface. L'analyse du génome de C. difficile montre que 13 gènes codent pour des N-déacétylases potentielles, et nous avons caractérisé l’ensemble de ces N-déacétylases.Le peptidoglycane de la cellule végétative de C. difficile est N-déacétylé sur 93% des glucosamines, et cette modification participe à la résistance de la bactérie au lysozyme, un composant majeur de l’immunité innée. Nous avons identifié les N-déacétylases PgdA, PgdB et PdaV responsables de cette N-déacétylation, et nous avons évalué leur impact au sein de la virulence de C. difficile. Nous avons également défini le rôle de deux N-déacétylases NagA dans le recyclage du peptidoglycane.Le peptidoglycane de la spore, ou cortex, a été analysé lors de ce travail et sa structure chez C. difficile est atypique par rapport au cortex décrit pour d’autres espèces bactériennes. Nous avons défini les N-déacétylases responsables de la N-déacétylation de la glucosamine du cortex. Nous avons également caractérisé les deux N-déacétylases PdaA1 et PdaA2 responsables de la synthèse des δ-lactames, une modification spécifique du cortex, ainsi que leur influence dans la virulence de C. difficile. Dans ce cadre, nous avons montré que les δ-lactames ont un rôle physiologique plus large pour C. difficile que chez Bacillus subtilis. De plus, nous avons identifié deux N-déacétylases potentiellement impliquées dans la synthèse de ce cortex.À travers ces résultats, ce travail apporte de nouvelles connaissances dans le rôle des N-déacétylases bactériennes. / Clostridium difficile is an anaerobic and spore-forming bacteria responsible for 15 to 25% of post-antibiotic diarrhea. N-deacetylases are largely distributed among Gram positive bacteria and are involved in many surface processes. C. difficile genome analysis showed that 13 genes potentially encode N-deacetylases. In this work, we have characterized all of these enzymes.The vegetative cell peptidoglycan of C. difficile is deacetylated on 93% its glucosamine, and this modification is involved in the resistance of C. difficile against lysozyme, a major component of the innate immunity. We identified the N-deacetylases PgdA, PgdB and PdaV responsible for this N-deacetylation, and we assessed their impact on C. difficile virulence. The role of two N-deacetylases involved in peptidoglycan recycling has also been assessed.The spore peptidoglycan, known as the cortex, has also been characterized during this work, and its structure is atypical in C. difficile compared to other bacterial species. We showed that N-deacetylation of the glucosamine is present in the cortex peptidoglycan, and we identified the N-deacetylases responsible for this modification. Additionally, we characterized the N-deacetylases PdaA1 and PdaA2 responsible for the synthesis of muramic-δ-lactams, a cortex specific modification, as well as their impact on C. difficile virulence. In his context, we determined that muramic-δ-lactams have a broader role in C. difficile compared to their role in Bacillus subtilis. Moreover, two N-deacetylases involved in cortex synthesis have been identified.This work adds a contribution in the knowledge of the roles of bacterial N-deacetylases.

La résistance bactérienne aux antibiotiques est de nos jours une préoccupation majeure aux acteurs du monde de la santé publique. L’identification de nouvelles cibles bactériennes en vue de développer de nouveaux antibiotiques est donc nécessaire. La paroi bactérienne est une bonne cible car l’inhibition de sa biosynthèse cause la mort des bactéries. De récents travaux de notre laboratoire ont identifié de nombreux nouveaux facteurs importants pour la biosynthèse de la paroi chez Escherichia coli. L’un de ces facteurs renommé ElyC a un domaine DUF218 extrêmement conservé à travers les espèces bactériennes. L’absence du gène elyC entraîne la lyse bactérienne à température pièce. Des études bioinformatiques indiquent qu’ElyC est une protéine membranaire avec deux domaines transmembranaires et un domaine conservé DUF218 de fonction inconnue. Étant donné que les protéines agissent souvent en complexes, nous avons émis l’hypothèse qu’ElyC interagit avec d’autres protéines afin d'exécuter sa fonction biologique. Le but de mon projet est de déterminer la topologie d’ElyC et d’identifier ses partenaires protéiques. L’étude de la topologie a été faite par l’essai de modification de cystéine sur des souches exprimant individuellement le facteur ElyC avec un résidu cystéine en position N-terminale, dans la boucle ou en position C-terminale. Les partenaires protéiques d’ElyC ont été isolés par immuno-précipitation et identifiés par spectrométrie de masse. Les résultats obtenus ont révélé qu’ElyC est une protéine membranaire chez E. coli et est impliquée dans l'assemblage de l'enveloppe bactérienne, dans la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative. Ils ont permis aussi de confirmer l’existence d’un lien entre ElyC et le stress oxydatif. Cependant les résultats pour la détermination de la topologie restent à être clarifiés. / Bacterial resistance to antibiotics is a major concern for public health. The identification of new bacterial targets for the development of new antibiotics is required. The bacterial cell wall is a good target because the inhibition of its biosynthesis causes the death of bacterial cells. Recent studies from our laboratory have identified many new important factors for cell wall biosynthesis in Escherichia coli. One of these factors renamed ElyC has a DUF218 domain highly conserved across bacterial species. The absence of elyC leads to bacterial lysis at room temperature. Bioinformatic studies indicate that ElyC is a membrane protein with two transmembrane domains and a conserved domain of unknown function DUF218. Given that proteins often act in complexes, we formulated the hypothesis that ElyC interacts with other proteins to play its biological role. The goal of my project is to determine the topology of ElyC and identify its protein partners. The study of the topology has been done by the cysteine modification assay with strains individually expressing ElyC with a cysteine residue at the N-terminal position, in the loop or at the C-terminal position. ElyC protein partners have been isolated by immuno-precipitation and identified by mass spectrometry. The results obtained revealed that ElyC is a membrane protein in E. coli and that it is involved in the bacterial envelope assembling, in the electron transport chain and in the oxidative phosphorylation. They also confirmed the existence of a link between ElyC and oxidative stress. However, the results for the determination of the topology remain to be clarified.

La paroi des bactéries à Gram positif se compose du peptidoglycane (PG) et des acides téichoïques (TA). Leur étude a révélé de nouveaux mécanismes de régulation chez le pathogène humain Streptococcus pneumoniae. Nous avons montré que la O-acétylation intervient précocement dans la biosynthèse du PG, participe à sa maturation et à la division cellulaire. Nous avons développé une approche innovante basée sur la chimie click pour le marquage in vivo des TAs, et révélé que leur synthèse est septale et corrélée à celle du PG. Le PG et les TAs contribuent aussi à réguler l'activité enzymatique de l'autolysine majeur du pneumocoque LytA: la O-acétylation du PG protège les cellules en division de l'autolyse par LytA et les TAs, sur lesquels elle se fixe, régulent sa localisation de surface. Pour conclure, ce travail souligne le rôle coopératif du PG et des TAs dans la synthèse de la paroi, la division cellulaire et la régulation de composants de la surface bactérienne. / Gram-positive bacteria cell wall (CW) is composed by peptidoglycan (PG) and teichoic acids (TA). We studied both CW components and revealed new regulation mechanisms in the human pathogen Streptococcus pneumoniae. We showed that PG O-acetylation occurs in the early steps of PG biosynthesis, promotes the formation of mature PG and plays a role in cell division. We developed an innovative click chemistry-based approach to label TA in live cells, opening the way to explore mechanistic issues of pneumococcal TA biosynthesis. We revealed that TA synthesis occurs at the division site and is correlated with PG synthesis. Finally, we showed that both PG and TA polymers contribute to regulate the major autolysin LytA which binds TA and cleaves the PG: the O-acetylation of PG protects dividing cells from LytA-induced autolysis while TA finely regulates LytA surface localization. In conclusion, our work highlights the cooperative role of PG and TA in CW biosynthesis, cell division and regulation of surface components.

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La division bactérienne résulte de la constriction de la membrane, menée par la protéine du cytosquelette FtsZ, et de l’expansion et du remodelage de la paroi, réalisés par des synthétases et des hydrolases de la paroi. La coordination de ces processus au sein d’un macrocomplexe protéique, le divisome, est nécessaire au maintien de la forme et de l’intégrité bactérienne. J’ai étudié deux aspects importants de ce mécanisme de coordination chez le pathogène humain Streptococcus pneumoniae. J’ai déterminé in vivo la nanostructure de la protéine FtsZ en développant l’utilisation du PALM (PhotoActivated Localization Microscopy)chez le pneumocoque. Cette technique, basée sur la détection de molécules uniques et permettant une résolution de 20-40 nm, a révélé des aspects inattendus (dimensions, amas, sous-structures) de l’architecture de l’anneau de FtsZ au cours du cycle cellulaire. En parallèle, j’ai étudié le rôle de l’hydrolase Pmp23 par génétique, biochimie et microscopie à fluorescence. Mon travail a montré que Pmp23 est requise pour la stabilité des macrostructures du divisome du pneumocoque, révélant une nouvelle connexion entre le métabolisme de la paroi et la division cellulaire. / Bacterial division results from the combination of membrane constriction, driven by the cytoskeletal protein FtsZ, with cell wall expansion and remodeling, performed by cell wall synthases and hydrolases. Coordination of these processes within a large protein complex known as the divisome ensures cell integrity and maintenance of cell shape. I have investigated two important aspects of this coordination mechanism in the human pathogen Streptococcus pneumoniae. I determined the in vivo nanostructure of the divisome scaffolding protein FtsZ by developing the use of PhotoActivated Localization Microscopy (PALM) in the pneumococcus. PALM, which is based on the detection of single fluorescent labels and allows 20-40 nm resolution, has revealed unexpected features (dimensions, clusters, new substructures) of the FtsZ-ring architecture along the cell cycle. In parallel, I studied the role of the cell wall hydrolase Pmp23 using genetics, biochemistry and fluorescence microscopy. My work has shown that Pmp23 is required for the stability of divisome macrostructures in the pneumococcal cell, revealing a new connection between cell wall metabolism and cell division.

Chez les bactéries en contact direct avec leur milieu, la transcription des gènes et la synthèse des protéines sont régulées de manière efficace à chaque changement des paramètres environnementaux afin de permettre la survie cellulaire. Dans le cas des bactéries commensales de l’intestin, ces régulations doivent aussi permettre les interactions symbiotiques et la colonisation dont les mécanismes moléculaires, encore peu connus, sont probablement liés, entre autres, à la surface des bactéries (molécules exposées et sécrétées…). Lactobacillus casei, bactérie commensale, possède environ 330 gènes prédits comme intervenant dans la composition et la fonctionnalité de la surface cellulaire. Afin d’avoir une vue globale de la totalité des gènes qui interviennent dans l’établissement de L. casei dans l’intestin, une approche de génétique inverse a été réalisée. Pour cela, une banque de mutants aléatoires étiquetés de L. casei par « Signature-Tagged Mutagenesis » a été créée puis annotée et réorganisée grâce au séquençage des régions d’insertion du transposon. Les mutants ont été criblés quant à leur capacité à s’établir dans l’anse iléale ligaturée de lapin et quantifiés par qPCR. Parmi les 47 gènes identifiés comme étant impliqués dans l’établissement in vivo, trois gènes en opéron codant pour un système à deux composants et une « penicillin-binding protein » ont été caractérisés. Ces trois gènes sont impliqués dans la modulation de la surface cellulaire et plus particulièrement dans la régulation des hydrolases du peptidoglycane qui sont nécessaires à la protection de la bactérie dans l’environnement intestinal. / In bacteria which are in direct contact with their environment, genes transcription and proteins synthesis are efficiently regulated at each change of environmental parameters to allow cell survival. For intestinal commensal bacteria, these regulations must also allow symbiotic interactions and colonization whose molecular mechanisms, so far little known, are probably related, among others, to the bacteria surface (molecules exposed and secreted…). Lactobacillus casei, a commensal bacterium, has about 330 predicted genes involved in the composition and functionality of the cell surface. To have a global view of the whole genes involved in the establishment of L. casei in the gut, a reverse genetics approach was performed. For that, a library of L. casei random labeled-mutants by Signature-Tagged Mutagenesis was generated then annotated and reassembled thanks to the sequencing of transposon insertion sites. Mutants were screened for their ability to establish themselves in the rabbit ligated ileal loop and quantified by qPCR. Among the 47 genes identified as involved in the in vivo establishment, three genes in an operon encoding a two-component system and a penicillin-binding protein were characterized. These three genes are involved in the cell surface modulation and particularly in the regulation of peptidoglycan hydrolases which are required for the bacteria protection in the intestinal environment.

Streptococcus pneumoniae, le pneumocoque, est une bactérie pathogène qui entraîne le décès de plus d'un million et demi de personnes dans le monde chaque année. Les β-lactamines sont très utilisées pour traiter les infections à pneumocoques. Ces antibiotiques inhibent la synthèse du peptidoglycane, une molécule géante constituant un réseau de chaînes glycopeptidiques qui englobe la cellule, lui confère sa forme et lui permet de maintenir son intégrité face à la pression osmotique. Le mécanisme d'action des β-lactamines est bien connud'un point de vue biochimique. En revanche, la réponse physiologique empêchant la multiplication des bactéries traitées est mal connue. Au cours de ma thèse, j'ai étudié les mécanismes moléculaires de la morphogenèse du pneumocoque par des approches de biochimie et de microbiologie. Un modèle de morphogenèse est proposé intégrant mes résultats à la littérature et permettant de formuler des hypothèses sur la réponse physiologique de S. pneumoniae aux β-lactamines. / Streptococcus pneumoniae, the pneumococcus, is a bacterial pathogen that causes more than 1.5 million deaths each year in the world. β-Lactams are widely used to treat patients with pneumococcal infections. These antibiotics inhibit the synthesis of the peptidoglycan, a giant molecule constituting a mesh of aminosugar strands encasing the cell. This main constituent of the cell wall allows cells to maintain their integrity under the turgor pressure, and endows bacteria with their shape. The action of β-lactams is well understood from a biochemical point of view. However, a complete understanding of the physiological response of treated bacteria remains elusive. In this thesis, I investigated the molecular mechanisms of the morphogenesis of S. pneumoniae using methods of biochemistry and microbiology. A morphogenesis model is built based on my results and the literature, which permits to emit hypotheses concerning the response of the pneumococcus to β-lactams.