Cupriavidus metallidurans CH34 est une béta-protéobactérie, résistante aux métaux lourds, isolée des sédiments d'une usine de métallurgie non-ferreuse en Belgique. Le génome de cette bactérie contient un chromosome (3.6 Mb), un mégaplasmide (2.6 Mb) et deux plasmides pMOL28 (171 kb) et pMOL30 (234 kb) déjà connus pour porter des gènes de résistance aux métaux lourds. Nous avons d'abord fait le catalogue des gènes impliqués dans la résistance aux métaux lourds et, ensuite, cherché à mesurer leur expression par deux approches transcriptomiques : RT-PCR et puces à ADN. L'analyse du génome montre au moins 170 gènes relatifs à la résistance aux ions métalliques localisés sur les 4 réplicons, principalement sur les deux plasmides. Ces gènes codent essentiellement pour des systèmes d'efflux tel que les HME-RND (transport chimioosmotique avec flux de protons à contresens), les ATPases de type P ou encore pour le système de résistance aux ions Cu(II). Dans le génome de C. metallidurans, nous avons identifié 13 opérons qui codent pour des systèmes HME-RND, seuls trois, localisés sur les plasmides, sont surexprimés en présence de métaux lourds. Huit gènes codent pour des ATPases de type P, dont deux appartiennent à une classe dont les substrats ne sont pas métalliques. Deux ATPases appartiennent à une famille spécialisée pour l'efflux du Cu(II) et les quatre autres à une autre grande famille impliquée dans l'efflux des ions Cd(II), Pb(II) et Zn(II). Les analyses transcriptomiques montrent la surexpression des deux premières classes d'ATPases P en présence des métaux lourds. La mutagenèse du gène zntA (mégaplasmide), codant pour l'une des ATPases, provoque une diminution de la viabilité en présence de Zn(II), Cd(II) et dans une moindre mesure de Pb(II), Tl(I) et Bi(III). Sur pMOL30, la résistance au cuivre implique un groupe de 19 gènes cop codant pour la résistance au cuivre au niveau du périplasme et du cytoplasme, et vraisemblablement pour une forme de stockage du cuivre essentiel. Ces 19 gènes sont surexprimés en présence de cuivre, mais une quinzaine de gènes proches semblent aussi requis pour une expression optimale de la résistance au cuivre. L'annotation des plasmides a mis en évidence la parenté du plasmide pMOL28 avec le plasmide pHG1 (hydrogénotrophie, fixation du CO2) de C. eutrophus H16 et le plasmide pSym (fixation de l'azote) de C. taiwanensis, et chez pMOL30, la présence de deux îlots génomiques concentrant la plupart des résistances aux métaux lourds. Les puces montrent la surexpression de 83 sur 164 gènes dans pMOL28, et de 143 sur 250 gènes dans pMOL30. Elles montrent aussi que les gènes présents sur les deux plasmides sont davantage surexprimés que ceux localisés sur les deux mégaréplicons. Parmi les gènes surexprimés les plus intéressants du plasmide pMOL30, il faut mentionner des transposases tronquées et des gènes impliqués dans la synthèse des membranes (glycosyltransférases). L'analyse de l'expression des gènes plasmidiens de résistance aux métaux lourds montre la surexpression en présence de plusieurs ions métalliques ajoutés indépendamment et pas seulement par les substrats métalliques de ces opérons, ce qui suggère l'intervention de deux types de régulation dont les gènes correspondants sont aussi localisés sur le chromosome et le mégaplasmide. Ce travail met en évidence la spécialisation de la bactérie dans la réponse à un grand spectre de concentrations de métaux lourds, jusqu'à la limite majeure de la toxicité observée pour les bactéries mésophiles hétérotrophes. Cette spécialisation correspond bien aux biotopes industriels de divers continents dans lesquels on l'a trouvée.

Acinetobacter baumannii is an opportunistic pathogen which has been implicated in a variety of nosocomial infections among immunocompromised patients worldwide. Recently, Multi-drug resistant (MDR) isolates of A. baumannii have been isolated from military personnel returning from service in Iraq and Afghanistan. Antibiotic resistance of A. baumannii has limited the number of active antibacterial, making very difficult to treat these types of infections. This work investigated the role of Resistance-Nodulation-cell Division (RND) efflux pumps in the antibiotic resistance mechanism of A. baumannii. Expression of six different RND pumps was analyzed in clinical isolates of A. baumannii. A novel RND family pump, AdeMNO, was found to be present in a majority of isolates. The adeMNO operon was cloned, sequenced, and characterized using the single copy gene expression system in an efflux sensitized surrogate Pseudomonas aeruginosa strain. Antibiotics, trimethoprim, chloramphenicol, and clindamicin were identified as the substrates of this pump. In order to understand the mechanisms of regulation of adeMNO operon, a putative regulator belonging to the lysR-family was identified, cloned, and sequenced from the upstream region of the operon. Promoter regions of the adeMNO operon were also sequenced from various clinical isolates and sequence polymorphisms identified that could be implicated in the regulation of adeMNO expression. / UOIT

An RND (resistance-nodulation-cell division) transporter, called the PseC protein, was identified at the left border of the syr-syp genomic island of Pseudomonas syringae pv. syringae strain B301D. The PseC protein exhibited amino acid homology to a putative RND transporter of Ralstonia solanacearum with identities of 61% (i.e., PseC). The pseC mutant strain showed a larger reduction in syringopeptin secretion (67%) than syringomycin secretion (41%). A β-glucuronidase assay with a pseA::uidA reporter construct indicated that the GacS/A two-component system controls expression of the pseA gene. Expression of the sypA gene by mutant strain B301D-HK4 corresponded to approximately 13% of that by parental strain B301D, whereas the syrB1 gene expression by mutant strain B301D-HK4 was nearly 61%. Mutant strain B301D-HK4 was reduced in virulence by about 58% as compared to parental strain B301D. A drug-supersensitive acrB mutant of E. coli showed increased resistance to acriflavine and tetracycline upon heterologous expression of the pseA, pseB, and pseC genes. Thus, the PseC protein, an RND transporter, has an important role in secretion of syringomycin and syringopeptin. An ATP-binding cassette (ABC) transporter, called the PseF protein, was identified at the left border of the syr-syp genomic island. The PseF protein exhibited amino acid homology to a putative ABC transporter of E. coli W3104 with identities of 57.6% (i.e., PseF to MacB). The pseF mutant strain showed significant reduction in secretion of syringomycin (74%) and syringopeptin (71%). Expression of the sypA gene by mutant strain B301D-HK7 was approximately 6.9% as compared to that of parental strain B301D, while the syrB1 gene expression by mutant strain B301D-HK7 was nearly 14.6%. Mutant strain B301D-HK7 was less virulent by approximately 67% than parental strain B301D. Expression of the pseF gene was induced approximately six times by strain B301D grown on SRMAF, as compared to that of strain B301D grown on SRM. During infection of bean plants by P. syringae pv. syringae strain B728a, expression of the pseF gene increased 3 days after inoculation. Thus, the PseF protein, an ABC transporter, responsible for secretion of syringomycin and syringopeptin is required for full virulence.

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Achromobacter xylosoxidans est un bacille à Gram négatif non fermentaire pathogène opportuniste. Il est de plus en plus fréquemment isolé chez les patients atteints de mucoviscidose, colonisant leur arbre bronchique et pouvant être responsable d’une dégradation de la fonction respiratoire. Il s’agit d’une espèce bactérienne naturellement résistante à de nombreux antibiotiques : aux céphalosporines (hors ceftazidime), à l’aztréonam et aux aminosides. Les résistances acquises sont fréquentes, en particulier dans les souches isolées d’expectorations de patients atteints de mucoviscidose. Ces résistances acquises concernent des molécules antibiotiques très utilisées pour le traitement des exacerbations respiratoires de la maladie, ce qui conduit parfois à de véritables impasses thérapeutiques. Au début de notre travail, seuls quelques mécanismes de résistance acquise aux β-lactamines avaient été décrits, mais aucun mécanisme impliqué dans la multi-résistance naturelle d’A. xylosoxidans.La résistance aux antibiotiques par efflux actif de type Resistance-Nodulation-cell Division (RND) est très répandue chez les bacilles à Gram négatif non fermentaires. Nous avons identifié dans le génome d’A. xylosoxidans trois opérons pouvant coder pour des systèmes d’efflux RND. Par une technique d’inactivation génique nous avons montré que les trois systèmes d’efflux (AxyABM, AxyXY-OprZ et AxyCDJ) pouvaient exporter des antibiotiques. Deux d’entre eux participent à l’antibio-résistance naturelle d’A. xylosoxidans : AxyABM (résistance à l’aztréonam et à plusieurs céphalosporines) et AxyXY-OprZ (résistance aux aminosides) / Achromobacter xylosoxidans is a nonfermentative Gram-negative bacillus considered to be an opportunistic agent. It is an emerging pathogen in cystic fibrosis (CF), increasingly recovered from the respiratory tract of CF patients. It can cause inflammation and therefore might be involved in the decline of the lung function.This species is innately resistant to many antibiotics, including cephalosporins (except ceftazidime), aztreonam, and aminoglycosides. Moreover the isolates recovered from CF patient sputum are often resistant to major antimicrobial components usually prescribed to treat pulmonary infections. There was very little known about acquired resistance and nothing about innate resistance mechanisms when we started this work.Antibiotic resistance mediated by Resistance-Nodulation-cell Division (RND)-type efflux pumps is widespread among nonfermentative Gram-negative bacilli. We have characterized three putative RND operons in A. xylosoxidans genome. By using a gene inactivation technique we have demonstrated that these operons encode efflux systems (AxyABM, AxyXY-OprZ and AxyCDJ) able to export antibiotics. Two of them are strongly involved in A. xylosoxidans innate antibiotic resistance: AxyABM (resistance to aztreonam and various cephalosporins) and AxyXY-OprZ (aminoglycoside resistance).

Bacteria have evolved sophisticated cellular transport mechanisms to maintain metal homeostasis to not only utilize metals as important cofactors but also to evade the toxicity of these ions. The delicate balance is maintained by several homeostatic mechanisms that range from active cytoplasmic export, modification, sequestration, and periplasmic detoxification of toxic metals to the extracellular milieu. One mechanism involves active periplasmic extrusion of toxic substrates via a transmembrane spanning tripartite protein complex. The mechanism of substrate binding and subsequent efflux has yet to be elucidated. However, genetic, comparative genomic, biochemical, and functional analyses of the components of the heavy-metal efflux family have allowed the development of proposed models for a substrate transport pathway. The goals of this research were to identify the roles these systems play and to further characterize these systems on a molecular level to ultimately understand the mechanism of substrate transport. Elucidating a transport pathway in metal transporters allows for the development of a revised working model, which ultimately can have implications for antimicrobial drug development.

Pseudomonas aeruginosa is a Gram-negative opportunistic human pathogen known to cause a variety of infections that are difficult to treat due to extremely high resistance to almost all antibiotics currently in clinical use. One of the major contributors to this resistance is the active efflux of antibiotics from the cell, primarily by action of the Resistance Nodulation Division (RND) family of efflux pumps. These pumps are composed of three proteins; an inner membrane RND pump, a periplasmic membrane fusion adaptor protein, and an outer membrane protein. The mechanism by which the three proteins interact to form a functional complex is largely unknown and the methods currently available for their study involves expression systems geared for high levels of expression. In the case of membrane proteins which play a role in clinically relevant activities, such as multidrug resistance, an expression system which does not always reflect biologically relevant levels of protein in the cell is not ideal for studying their interactions as correlation of conclusions from interaction studies to true interactions may not be possible. In this study a single copy gene expression system was designed and demonstrated to better reflect clinically relevant levels of overexpression compared to a multi-copy expression system. Quantitative-real time PCR analysis of C-terminally hexa-histidine tagged outermembrane protein, OpmH, expression shows approximately 100-fold and 20-fold overexpression from multi-copy and single-copy expression systems respectively. OpmH-H6 was successfully purified from both multi copy and single copy expression systems with proportionate purification schemes indicating the feasibility of single copy expression systems for the study of membrane bound protein complexes. / UOIT

Les pompes d'efflux sont des complexes macromoléculaires qui permettent l'efflux des antibiotiques à travers les deux membranes (interne et externe). Ces pompes, spécifiques des bactéries Gram négatif, constituent l'un des acteurs majeurs du phénomène de résistance aux antibiotiques, en contribuant ainsi à la résistance intrinsèque et acquise de ces bactéries à de nombreuses molécules utilisées en antibiothérapie. Chez P. aeruginosa, ces pompes appartiennent pour la plupart à la famille des transporteurs RND. Ce sont des complexes tripartites constitués d'un transporteur de la membrane interne (RND), d'un adaptateur périplasmique (MFP) et d'un canal de la membrane externe (OMF). Ces composants ont été caractérisés individuellement chez de nombreuses bactéries. Cependant, les mécanismes qui régissent l'assemblage et la dissociation de la pompe, essentiels pour son fonctionnement, demeurent mal compris. Nous nous sommes donc intéressés au cours de ce travail aux pompes à efflux de Pseudomonas aeruginosa. Nous avons notamment procédé à la caractérisation structurale du canal OprN de la pompe MexEF-OprN impliquée dans la résistance aux fluoroquinolones et à la caractérisation biophysique du transporteur RND MexY de la pompe MexXY-OprM, spécifique des aminoglycosides. Nous avons étudié en parallèle le mécanisme d'ouverture du canal OprM seul in vitro (aspects structuraux) et in vivo (aspects fonctionnels) au sein de la pompe assemblée. Nos résultats montrent que les OMFs de P. aeruginosa présentent des similitudes avec les OMFs d'autres bactéries Gram négatif, mais également des différences, notamment pour OprN et OprM au niveau de l'interaction avec leurs partenaires ou encore pour OprM concernant l'ouverture du canal. Nous avons par ailleurs participé à l'étude in vitro de l'assemblage et du transport à travers la pompe MexAB-OprM, reconstituée au sein de protéoliposomes, confirmant l'importance de l'acylation de la MFP dans la formation du complexe et montrant l'importance de la force proto-motrice dans l'assemblage de la pompe mais pas dans sa dissociation. En parallèle de l'étude des pompes à efflux, nous nous sommes intéressés à un autre système de résistance, impliqué dans la dégradation des antibiotiques. Nous avons donc réalisé, en collaboration avec le Pr Patrick Plésiat (laboratoire de Bactériologie de Besançon), la modélisation de mutants de la beta-lactamase AmpC de P. aeruginosa, permettant de lier les effets fonctionnels observés à des hypothèses de modifications conformationnelles. / Multidrug efflux systems are membrane transport proteins that are used to translocate a wide variety of drugs across the inner and the outer membranes of Gram-negative bacteria, leading to natural and acquired antimicrobial resistances.Most of the multidrug transporters of P. aeruginosa belong to the resistance-nodulation-cell division (RND) superfamily.They function as three-component assemblies made of an inner membrane transporter (RND), a periplasmic membrane fusion protein (MFP) and an outer membrane factor channel (OMF). Along with functional studies, many crystal structures of the individual components of the pump have been solved but the interactions underlying the complex assembly and the opening mechanism of the outer channel remain unclear. In this study, we investigated structural and functional insights of P. aeruginosa efflux pumps. We solved the crystal structure of the MexEF-OprN efflux pump outer membrane channel OprN mainly involved in fluoroquinolones resistance. Our new structure highlights the differences between P. aeruginosa and other Gram-negative bacteria OMFs that could explain their specific interaction with the cognate MFP partners. We also purified and characterized the inner membrane transporter MexY from the MexXY-OprM efflux pump, which is the major determinant of aminoglycosides resistance in P. aeruginosa. Besides, we solved the crystal structure of a mutatedform of the outer membrane channel OprM in order to understand its opening mechanism. We also investigated in vivo effect of the OprM mutants in antibiotics resistance by MIC measurements and tried to correlate with the observed structural modifications leading to the open state. Moreover, we set up a new in vitro test allowing the investigation of the assembly of the MexAB-OprM efflux pump. Our results showed the importance of MexA and its lipid anchor in promoting and stabilizing the complex assembly. In addition, as a side project with the group of Pr Plésiat (laboratoire de Bactériologie de Besançon), we built different structural models of AmpC mutants from overproducing clinical isolates,showing the possible conformational changes that lead to the resistance increase.

Cupriavidus metallidurans CH34 est une béta-protéobactérie, résistante aux métaux lourds, isolée des sédiments d'une usine de métallurgie non-ferreuse en Belgique. <p>Le génome de cette bactérie contient un chromosome (3.6 Mb), un mégaplasmide (2.6 Mb) et deux plasmides pMOL28 (171 kb) et pMOL30 (234 kb) déjà connus pour porter des gènes de résistance aux métaux lourds. <p>Nous avons d'abord fait le catalogue des gènes impliqués dans la résistance aux métaux lourds et, ensuite, cherché à mesurer leur expression par deux approches transcriptomiques :RT-PCR et puces à ADN.<p> L'analyse du génome montre au moins 170 gènes relatifs à la résistance aux ions métalliques localisés sur les 4 réplicons, principalement sur les deux plasmides. Ces gènes codent essentiellement pour des systèmes d'efflux tel que les HME-RND (transport chimioosmotique avec flux de protons à contresens), les ATPases de type P ou encore pour le système de résistance aux ions Cu(II). Dans le génome de C. metallidurans, nous avons identifié 13 opérons qui codent pour des systèmes HME-RND, seuls trois, localisés sur les plasmides, sont surexprimés en présence de métaux lourds. Huit gènes codent pour des ATPases de type P, dont deux appartiennent à une classe dont les substrats ne sont pas métalliques. Deux ATPases appartiennent à une famille spécialisée pour l'efflux du Cu(II) et les quatre autres à une autre grande famille impliquée dans l'efflux des ions Cd(II), Pb(II) et Zn(II). Les analyses transcriptomiques montrent la surexpression des deux premières classes d'ATPases P en présence des métaux lourds. La mutagenèse du gène zntA (mégaplasmide), codant pour l'une des ATPases, provoque une diminution de la viabilité en présence de Zn(II), Cd(II) et dans une moindre mesure de Pb(II), Tl(I) et Bi(III). <p>Sur pMOL30, la résistance au cuivre implique un groupe de 19 gènes cop codant pour la résistance au cuivre au niveau du périplasme et du cytoplasme, et vraisemblablement pour une forme de stockage du cuivre essentiel. Ces 19 gènes sont surexprimés en présence de cuivre, mais une quinzaine de gènes proches semblent aussi requis pour une expression optimale de la résistance au cuivre. <p>L'annotation des plasmides a mis en évidence la parenté du plasmide pMOL28 avec le plasmide pHG1 (hydrogénotrophie, fixation du CO2) de C. eutrophus H16 et le plasmide pSym (fixation de l'azote) de C. taiwanensis, et chez pMOL30, la présence de deux îlots génomiques concentrant la plupart des résistances aux métaux lourds. Les puces montrent la surexpression de 83 sur 164 gènes dans pMOL28, et de 143 sur 250 gènes dans pMOL30. Elles montrent aussi que les gènes présents sur les deux plasmides sont davantage surexprimés que ceux localisés sur les deux mégaréplicons. Parmi les gènes surexprimés les plus intéressants du plasmide pMOL30, il faut mentionner des transposases tronquées et des gènes impliqués dans la synthèse des membranes (glycosyltransférases). L'analyse de l'expression des gènes plasmidiens de résistance aux métaux lourds montre la surexpression en présence de plusieurs ions métalliques ajoutés indépendamment et pas seulement par les substrats métalliques de ces opérons, ce qui suggère l'intervention de deux types de régulation dont les gènes correspondants sont aussi localisés sur le chromosome et le mégaplasmide.<p>Ce travail met en évidence la spécialisation de la bactérie dans la réponse à un grand spectre de concentrations de métaux lourds, jusqu'à la limite majeure de la toxicité observée pour les bactéries mésophiles hétérotrophes. Cette spécialisation correspond bien aux biotopes industriels de divers continents dans lesquels on l'a trouvée. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Acinetobacter baumannii is an important nosocomial pathogen characterized by the ability to acquire and develop complex resistance to antimicrobial agents. This capability is caused by eflux systems removing molecules of antibiotics from bacterial intracellular space. AdeABC is an RND-type chromosomal eflux system specific for A. baumannii which has a broad substrate spectrum. In this work, we focused on functional analysis of AdeABC to define its role in the resistance development to aminoglycosides in genetically different strains. We studied a set of 15 epidemiologically and genotypically well characterized strains of A. baumannii which were fully susceptible to aminoglycosides and other antibiotics primarily effective against this species. We determined genotyp of AdeABC for these strains and performed a selection for resistant variants in the presence of netilmicin. Using real-time qRT-PCR we compared the expression of the transporter gene adeB in originally sensitive strains and selected variants. The obtained results confirmed that the increased expression of AdeABC significantly reduces susceptibility to aminoglycosides and other antibiotics. The results also suggest that the efflux system provides a significant selective advantage for nosocomial strains of A. baumannii.