Le groupe Bacillus cereus est composé de huit espèces de bactéries à Gram positif sporulantes qui peuvent coloniser plusieurs niches écologiques. Les espèces les plus importantes sont B. cereus, une bactérie ubiquitaire du sol et un pathogène opportuniste; B. thuringiensis, un entomopathogène très utilisé comme biopesticide; et B. anthracis l’agent de la maladie du charbon. Bien que ces espèces présentent différents phénotypes, elles sont étroitement liées génétiquement et leurs facteurs de virulences principaux sont portés par des plasmides. Le cycle infectieux de B. thuringiensis dans la larve d’insecte est régulé par l’activation séquentielle de systèmes de quorum sensing de la famille RNPP. Parmi eux, les systèmes Rap-Phr, caractérisés chez B. subtilis, ont très peu été étudiés dans le groupe B. cereus. Ces systèmes régulent divers processus bactériens importants dont la sporulation. L’objectif de cette étude est d’analyser les systèmes Rap-Phr dans le groupe B. cereus, pour connaitre leur distribution, leur localisation et leur diversité afin d’obtenir une vue globale de ces systèmes chez ces bactéries. De plus, leur possible implication dans la régulation du processus de sporulation a été prédite sur la base de données structurales décrites chez RapH de B. subtilis. Les gènes rap, toujours associés à un gène phr, sont présents dans toutes les souches étudiées avec une moyenne de six gènes rap-phr par souche et avec 30% de ces systèmes qui sont portés par des plasmides. Les souches de B. thuringiensis portent six fois plus de systèmes Rap-Phr plasmidiques que les souches de B. cereus. Par ailleurs, les souches phylogénétiquement proches possèdent un profil de gènes rap-phr similaire. Un tiers des protéines Rap sont prédites pour inhiber la sporulation et ces protéines sont préférentiellement localisées sur les plasmides et donc plus fréquemment présentes chez B. thuringiensis que chez B. cereus. Cette prédiction a été partiellement validée par des tests de sporulation suggérant que les résidus impliqués dans cette activité chez B. subtilis sont conservés mais insuffisants pour prédire cette fonction. Le système Rap63-Phr63 porté par le plasmide pAW63 de la souche B. thuringiensis HD73 a ensuite été caractérisé. La protéine Rap63 a un effet modéré sur la sporulation et retarde l’expression des gènes régulés par Spo0A. La Rap63 est inhibée par son peptide Phr63, dont la forme mature correspond à l’extrémité C-terminale du pro-peptide. Les résultats de sporulation dans l’insecte suggèrent une activité synergique des systèmes Rap63-Phr63 et Rap8-Phr8 (porté par le pHT8_1) dans la régulation de la sporulation. Malgré la similarité entre les Phr63 et Phr8 aucun cross-talk n’a pu être mis en évidence, ce qui confirme la spécificité de ces systèmes de communication cellulaire. L’ensemble de ces résultats démontre la grande diversité des systèmes Rap-Phr dans le groupe B. cereus et souligne l’impact des systèmes plasmidiques dans le développement de ces bactéries. Par conséquent, les plasmides sont des éléments importants pour l’adaptation et la survie de ces bactéries et particulièrement pour B. thuringiensis. / The Bacillus cereus group of Gram positive spore forming bacteria is comprised by eight species that are able to colonize several ecological niches. The most important species are B. cereus, a ubiquitous soil bacterium and an opportunistic pathogen; B. thuringiensis, an entomopathogen widely used as biopesticide; and B. anthracis, the causative agent of anthrax. Even if they present different phenotypes, they are genetic closely related and their main virulence factors are encoded on plasmids. The infectious cycle of B. thuringiensis in the insect larvae is regulated by the sequential activation of quorum sensing systems from the RNPP family. Among them, the Rap-Phr was extensively studied in B. subtilis but just punctually in B. cereus group species. The Rap-Phr systems were shown to regulate various bacterial processes, including the sporulation. The objective of this study was to analyze the Rap-Phr systems in the B. cereus group, regarding their distribution, location and diversity to achieve an overview of these systems in these bacteria. Moreover, their possible involvement in the control of the sporulation process was predicted based on structural data described for RapH in B. subtilis. The rap genes, always associated with a phr gene, were present in all 49 studied strains with an average of six rap-phr genes per strain and 30% were located on plasmids. Comparison among B. cereus and B. thuringiensis strains revealed that the last one harbors six-fold more plasmid rap-phr system then the former. Moreover, phylogenetic closer strains possess a similar profile of rap-phr genes. Interestingly, 32% of the Rap proteins were predicted to inhibit sporulation and these proteins were preferentially located on plasmids and therefore in B. thuringiensis strains. This prediction was partially validated by sporulation efficiency assays suggesting that residues identified in B. subtilis as involved in the phosphatase activity are conserved but not sufficient to predict the sporulation function. Then, the plasmid-borne Rap63-Phr63 system from pAW63 plasmid of B. thuringiensis HD73 strain was further studied. The Rap63 protein moderately inhibits the sporulation and delays the expression of Spo0A-regulated genes. Rap63 is counteracted by its cognate Phr63 peptide, which mature form corresponds to the C-terminal end of the pro-peptide. Sporulation assays in insect larvae suggest a synergistic activity of Rap63-Phr63 and Rap8-Phr8 (from pHT8_1 of B. thuringiensis HD73 strain) systems on sporulation efficiency. Despite the similarities of Phr63 and Phr8 no cross-talk was found between these two systems, confirming their specificity. Altogether, these results reveal the high diversity of the Rap-Phr systems in the B. cereus group and highlight the relevance of the plasmid-borne systems to cell development. Therefore, the results demonstrated the importance of the plasmids in the adaptation and the survival of these bacteria, especially for B. thuringiensis.

La découverte d'un contexte génétique chez les streptocoques – codant un petit peptide hydrophobe (SHP) et un régulateur transcriptionnel appartenant à la famille Rgg –, suivi de l'étude d'un de ces loci chez S. thermophilus LMD-9, a conduit à l'hypothèse que les protéines régulatrices Rgg en association avec une phéromone putative SHP pourraient intervenir dans un mécanisme de type quorum-sensing (QS) chez les bactéries à Gram positif. La première partie de ma thèse a consisté à confirmer cette hypothèse sur le locus shp/rgg1358 de S. thermophilus LMD-9, espèce contenant le plus grand nombre de systèmes SHP/Rgg dans son génome. Pour ceci, les étapes impliquées dans un mécanisme de QS ont été étudiées : la sécrétion, la maturation et la détection à une concentration seuil de la phéromone, sa réimportation à l'intérieur de la cellule, son interaction avec un régulateur transcriptionnel et enfin l'interaction de la protéine régulatrice à l'ADN. Par l'utilisation d'approches génétiques et biochimiques, nous avons démontré l'existence d'un nouveau mécanisme de QS impliquant pour la première fois un régulateur transcriptionnel Rgg et une phéromone SHP, importée à l'intérieur de la cellule par le transporteur d'oligopeptides AmiCDEF. Le rôle de la protéase membranaire, Eep, a également été démontré dans la maturation de la phéromone, dont la forme mature a été déterminée par spectrométrie de masse et validée in vivo. Dans un second temps, nous avons exploré la fonctionnalité de ce nouveau mécanisme sur d'autres loci shp/rgg, dans le but d’étudier l'existence d’éventuels phénomènes de cross-talk entre les bactéries. L'étude de nouveaux loci, en système hétérologue chez S. thermophilus LMD-9, a permis d'étendre la fonctionnalité du mécanisme à deux systèmes SHP/Rgg de streptocoques pathogènes, à savoir S. agalactiae et S. mutans. En parallèle à ce travail de caractérisation, l'identification des régulons des systèmes SHP/Rgg a été entreprise. La construction d'un arbre phylogénétique des protéines Rgg-like a permis d'identifier 68 systèmes SHP/Rgg, que nous avons classés en trois groupes. L'analyse des régions promotrices des gènes shp a conduit à l'identification d'un site putatif de liaison des protéines Rgg à l'ADN spécifiques de chaque groupe SHP/Rgg. Une approche in silico a ensuite été menée afin de rechercher, dans les génomes séquencés de streptocoques, les gènes cibles putatifs. Alors que des cibles proximales ont été détectées pour les groupes II et III, des cibles distales ont été identifiées dans les groupes I et II. Actuellement, la validation de certaines cibles est en cours au laboratoire. A l'avenir, ce travail pourrait permettre le développement de petits peptides permettant d'optimiser l'utilisation de S. thermophilus en industries laitières et de réduire la virulence des streptocoques pathogènes. / The discovery of a genetic context – encoding a small hydrophobic peptide (SHP) and a transcriptional regulator belonging to the Rgg family (in nearly all streptococcal genomes) –, following by the study of one of this loci in S. thermophilus LMD-9, led to the hypothesis that the regulatory proteins Rgg in association with a putative pheromone SHP could define a novel quorum-sensing (QS) regulatory mechanism in Gram-positive bacteria. The first part of my PhD consisted to validate this hypothesis. For this purpose, we analyzed the SHP/Rgg system in all the steps that are commonly involved in QS mechanisms: (i) secretion of the putative pheromone, (ii) maturation of the pheromone, (iii) capture of the pheromone from the external environment at a threshold concentration, (iv) importation of the pheromone inside the cell and (v) interaction of the transcriptional regulator to the promoter regions of targeted genes. Experimentally, we focused on the so-called shp/rgg1358 locus of S. thermophilus LMD-9, which is the streptococcal species containing the largest number of shp/rgg pairs in its genome. By using genetic and biochemistry approaches, we uncovered a new QS mechanism that involves the pheromone SHP, the oligopeptide transporter AmiCDEF for the uptake of the pheromone and the transcriptional regulator Rgg for the control of target gene expression. Furthermore, we showed that the membrane protease Eep participates in the production of the mature pheromone, which has been identified by mass spectrometry. Once characterized, the second part of my PhD was to explore the functionality of this new QS system in other streptococcal strain or species, in order to determine if cross-reactivity phenomenon between streptococci can occur. By using heterologous expression in S. thermophilus LMD-9, we extended the functionality of the SHP/Rgg system to two pathogenic streptococcal species, i.e. S. agalactiae and S. mutans. The last part of my PhD consisted in identifying the regulon of all SHP/Rgg systems. Following the construction of a phylogenetic tree of the Rgg-like proteins in low GC Gram-positive bacteria, we identified 68 SHP/Rgg systems that we classified in three groups. Analyzing the promoter regions of all shp genes led to the identification of a putative Rgg DNA binding site specific to each SHP/Rgg group. An in silico approach was used to scan all sequenced streptococcal genomes for the three identified patterns. Whereas proximal target genes were detected for groups II and III, distal target genes were found in groups I and II. In addition, we uncovered that putative Rgg DNA binding sites can be localized in coding or non-coding region. Currently, validations are in progress. To sum-up, my PhD studies provided evidences that the Rgg proteins in association with small peptide pheromones define a new QS mechanism that seems to regulate the expression of distal and proximal genes in a species-dependent manner. Important insights should be obtained concerning a putative crosstalk among streptococci that involves the SHP/Rgg QS system. My studies may constitute a basis for the development of small peptides to optimize the use of S. thermophilus in dairy factories and reduce the virulence of pathogenic streptococci.

Chez les bactéries sporulantes du genre Bacillus, des mécanismes importants tels que la sporulation et la virulence sont régulés par des systèmes de communication cellulaire qui impliquent des peptides de signalisation et des régulateurs de la famille RNPP (Rap, NprR, PlcR, PrgX). L'objectif de mon travail de thèse a été de déterminer le rôle du régulateur NprR chez les bactéries du groupe B. cereus. Ce travail se divise en trois parties complémentaires. La première partie a consisté à montrer que NprR est impliqué dans un système de communication cellulaire. Nous avons montré que NprR est un régulateur transcriptionnel de début de phase stationnaire qui est dépendant du peptide de signalisation NprX. Associé à NprX, NprR active la transcription du gène nprA qui code pour une protéase extracellulaire. Nous avons démontré que le peptide NprX est sécrété, maturé puis réimporté dans la cellule bactérienne par deux systèmes d'oligopeptide perméase (Opp et Npp). Une fois dans la cellule, la forme mature de NprX (vraisemblablement l'heptapeptide SKPDIVG) se lie à NprR et permet la transcription du gène nprA. Nous avons ensuite cherché à déterminer la fonction de ce régulateur au cours du cycle infectieux de B. thuringiensis (Bt) chez l'insecte. Nous avons montré que NprR est actif après la mort de l'insecte et permet aux bactéries de survivre, sous forme de cellules végétatives, dans les cadavres. Une analyse transcriptomique indique que NprR régule l'expression d'au moins 41 gènes qui codent notamment pour des enzymes dégradatives et un locus de gènes impliqués dans la production d'un peptide synthétisé de façon non ribosomique (la kurstakine). Nous avons démontré que les gènes codant pour les enzymes dégradatives s'expriment spécifiquement après la mort de l'hôte et que les produits de ces gènes sont essentiels pour hydrolyser différents substrats (protéines, lipides, chitine), ce qui suggère que Bt a un mode de vie nécrotrophe dans le cadavre. La kurstakine est essentielle pour la survie de Bt pendant son développement nécrotrophe et nous avons montré que cette molécule est nécessaire pour le swarming et la formation de biofilm. Par ailleurs, un mutant du gène nprR ne se développe pas et ne sporule pas efficacement dans le cadavre. L'ensemble de nos résultats indiquent que le necrotrophisme est un mode de vie hautement régulé, qui est essentiel dans le cycle infectieux de Bt car il contribue à la transmission horizontale de ce micro-organisme. Enfin, nous avons étudié la régulation de l'expression des gènes nprR et nprX. Nous avons montré que les gènes nprR-nprX sont co-transcrits à partir d'un promoteur dépendant de sigma-A (PA) situé en amont du gène nprR. La transcription à partir de ce promoteur débute lors de l'entrée en phase stationnaire et est contrôlée par deux régulateurs transcriptionnels: CodY et PlcR. Le répresseur CodY pourrait se lier à l'ADN en amont du promoteur PA et réprimer la transcription des gènes nprR-nprX pendant la phase exponentielle de croissance. Au début de la phase stationnaire, le contrôle négatif de CodY est levé et PlcR active la transcription de nprR-nprX en se liant à une boîte PlcR située en amont de PA. Nos résultats indiquent que nprX est également transcrit indépendamment de nprR à partir de deux promoteurs, PH et PE, respectivement dépendant de sigma-H et sigma-E. Les deux promoteurs permettent d'assurer la transcription de nprX en phase stationnaire tardive alors que la transcription à partir du promoteur PA est achevée. Cette étude met en évidence le role clé des régulateurs CodY, PlcR and Spo0A dans la régulation de l'expression des gènes nprR-nprX. / In sporulating Bacillus, major processes like virulence gene expression and sporulation are regulated by communication systems involving signaling peptides and regulators of the RNPP family. In this work, we investigated the role of one such regulator, NprR, in bacteria of the Bacillus cereus group. This work can be divided into three complementary parts.The first part consisted to demonstrate that NprR is involved in a quorum-sensing system. We showed that NprR is a transcriptional regulator whose activity depends on the NprX signalling peptide. In association with NprX, NprR activates the transcription of an extracellular protease gene (nprA) during the first stage of the sporulation process. We demonstrated that the NprX peptide is secreted, processed and then reimported within the bacterial cell by two oligopeptide permease systems (Opp and Npp). Once inside the cell, the mature form of NprX, presumably the SKPDIVG heptapeptide, directly binds to NprR allowing nprA transcription. The second part was to explore the function of NprR during the infectious cycle of B. thuringiensis (Bt). We showed that NprR is active after death of the insect and allows Bt to survive in the cadavers as vegetative cells. Transcriptomic analysis revealed that NprR regulates at least 41 genes encoding degradative enzymes or involved in the synthesis of a non-ribosomal peptide named kurstakin. The degradative enzymes include chitinases, proteases and lipases. The corresponding genes are specifically expressed after host death suggesting that Bt has an active necrotrophic lifestyle in the cadaver. We showed that kurstakin is essential for Bt survival during necrotrophic development. It is required for swarming mobility and biofilm formation, presumably through a pore forming activity. A nprR deficient mutant does not develop necrotrophically and does not sporulate efficiently in the cadaver. Altogether, our results show that necrotrophism is a highly regulated mechanism essential for the Bt infectious cycle, contributing to horizontal transmission. Finally, the last part of my PhD consisted to study the regulation of nprR and nprX expression. We showed that the nprR-nprX genes are cotranscribed from a sigma A-dependent promoter (PA) located upstream from nprR. The transcription from PA starts at the onset of the stationary phase and is controlled by two transcriptional regulators: CodY and PlcR. The nutritional repressor CodY binds a DNA target site upstream from PA and represses nprR-nprX transcription during the exponential growth phase. At the onset of the stationary phase, the negative control of CodY is relieved and PlcR activates nprR-nprX transcription by binding a PlcR box located upstream from PA. We showed that nprX is also transcribed independently of the nprR transcription from two promoters, PH and PE, dependent on sigma-H and sigma-E, respectively. Both promoters ensure nprX transcription during late stationary phase and sporulation while transcription from PA is complete. This study highlights the key role played by CodY, PlcR and Spo0A in nprR-nprX transcription.

Chez les bactéries sporulantes du genre Bacillus, des mécanismes importants tels que la sporulation et la virulence sont régulés par des systèmes de communication cellulaire qui impliquent des peptides de signalisation et des régulateurs de la famille RNPP (Rap, NprR, PlcR, PrgX). L'objectif de mon travail de thèse a été de déterminer le rôle du régulateur NprR chez les bactéries du groupe B. cereus. Ce travail se divise en trois parties complémentaires. La première partie a consisté à montrer que NprR est impliqué dans un système de communication cellulaire. Nous avons montré que NprR est un régulateur transcriptionnel de début de phase stationnaire qui est dépendant du peptide de signalisation NprX. Associé à NprX, NprR active la transcription du gène nprA qui code pour une protéase extracellulaire. Nous avons démontré que le peptide NprX est sécrété, maturé puis réimporté dans la cellule bactérienne par deux systèmes d'oligopeptide perméase (Opp et Npp). Une fois dans la cellule, la forme mature de NprX (vraisemblablement l'heptapeptide SKPDIVG) se lie à NprR et permet la transcription du gène nprA. Nous avons ensuite cherché à déterminer la fonction de ce régulateur au cours du cycle infectieux de B. thuringiensis (Bt) chez l'insecte. Nous avons montré que NprR est actif après la mort de l'insecte et permet aux bactéries de survivre, sous forme de cellules végétatives, dans les cadavres. Une analyse transcriptomique indique que NprR régule l'expression d'au moins 41 gènes qui codent notamment pour des enzymes dégradatives et un locus de gènes impliqués dans la production d'un peptide synthétisé de façon non ribosomique (la kurstakine). Nous avons démontré que les gènes codant pour les enzymes dégradatives s'expriment spécifiquement après la mort de l'hôte et que les produits de ces gènes sont essentiels pour hydrolyser différents substrats (protéines, lipides, chitine), ce qui suggère que Bt a un mode de vie nécrotrophe dans le cadavre. La kurstakine est essentielle pour la survie de Bt pendant son développement nécrotrophe et nous avons montré que cette molécule est nécessaire pour le swarming et la formation de biofilm. Par ailleurs, un mutant du gène nprR ne se développe pas et ne sporule pas efficacement dans le cadavre. L'ensemble de nos résultats indiquent que le necrotrophisme est un mode de vie hautement régulé, qui est essentiel dans le cycle infectieux de Bt car il contribue à la transmission horizontale de ce micro-organisme. Enfin, nous avons étudié la régulation de l'expression des gènes nprR et nprX. Nous avons montré que les gènes nprR-nprX sont co-transcrits à partir d'un promoteur dépendant de sigma-A (PA) situé en amont du gène nprR. La transcription à partir de ce promoteur débute lors de l'entrée en phase stationnaire et est contrôlée par deux régulateurs transcriptionnels: CodY et PlcR. Le répresseur CodY pourrait se lier à l'ADN en amont du promoteur PA et réprimer la transcription des gènes nprR-nprX pendant la phase exponentielle de croissance. Au début de la phase stationnaire, le contrôle négatif de CodY est levé et PlcR active la transcription de nprR-nprX en se liant à une boîte PlcR située en amont de PA. Nos résultats indiquent que nprX est également transcrit indépendamment de nprR à partir de deux promoteurs, PH et PE, respectivement dépendant de sigma-H et sigma-E. Les deux promoteurs permettent d'assurer la transcription de nprX en phase stationnaire tardive alors que la transcription à partir du promoteur PA est achevée. Cette étude met en évidence le role clé des régulateurs CodY, PlcR and Spo0A dans la régulation de l'expression des gènes nprR-nprX.

La découverte d'un contexte génétique chez les streptocoques - codant un petit peptide hydrophobe (SHP) et un régulateur transcriptionnel appartenant à la famille Rgg -, suivi de l'étude d'un de ces loci chez S. thermophilus LMD-9, a conduit à l'hypothèse que les protéines régulatrices Rgg en association avec une phéromone putative SHP pourraient intervenir dans un mécanisme de type quorum-sensing (QS) chez les bactéries à Gram positif. La première partie de ma thèse a consisté à confirmer cette hypothèse sur le locus shp/rgg1358 de S. thermophilus LMD-9, espèce contenant le plus grand nombre de systèmes SHP/Rgg dans son génome. Pour ceci, les étapes impliquées dans un mécanisme de QS ont été étudiées : la sécrétion, la maturation et la détection à une concentration seuil de la phéromone, sa réimportation à l'intérieur de la cellule, son interaction avec un régulateur transcriptionnel et enfin l'interaction de la protéine régulatrice à l'ADN. Par l'utilisation d'approches génétiques et biochimiques, nous avons démontré l'existence d'un nouveau mécanisme de QS impliquant pour la première fois un régulateur transcriptionnel Rgg et une phéromone SHP, importée à l'intérieur de la cellule par le transporteur d'oligopeptides AmiCDEF. Le rôle de la protéase membranaire, Eep, a également été démontré dans la maturation de la phéromone, dont la forme mature a été déterminée par spectrométrie de masse et validée in vivo. Dans un second temps, nous avons exploré la fonctionnalité de ce nouveau mécanisme sur d'autres loci shp/rgg, dans le but d'étudier l'existence d'éventuels phénomènes de cross-talk entre les bactéries. L'étude de nouveaux loci, en système hétérologue chez S. thermophilus LMD-9, a permis d'étendre la fonctionnalité du mécanisme à deux systèmes SHP/Rgg de streptocoques pathogènes, à savoir S. agalactiae et S. mutans. En parallèle à ce travail de caractérisation, l'identification des régulons des systèmes SHP/Rgg a été entreprise. La construction d'un arbre phylogénétique des protéines Rgg-like a permis d'identifier 68 systèmes SHP/Rgg, que nous avons classés en trois groupes. L'analyse des régions promotrices des gènes shp a conduit à l'identification d'un site putatif de liaison des protéines Rgg à l'ADN spécifiques de chaque groupe SHP/Rgg. Une approche in silico a ensuite été menée afin de rechercher, dans les génomes séquencés de streptocoques, les gènes cibles putatifs. Alors que des cibles proximales ont été détectées pour les groupes II et III, des cibles distales ont été identifiées dans les groupes I et II. Actuellement, la validation de certaines cibles est en cours au laboratoire. A l'avenir, ce travail pourrait permettre le développement de petits peptides permettant d'optimiser l'utilisation de S. thermophilus en industries laitières et de réduire la virulence des streptocoques pathogènes.