Le microbiote intestinal joue un rôle majeur dans le développement des fonctions digestive, métabolique, immunitaire et neurologique de son hôte. Escherichia coli est un hôte commun de la microflore commensale intestinale de l'Homme et des animaux à sang chaud, et s'établit dans le tractus digestif dès les premières heures ou jours qui suivent la naissance. L'espèce E. coli, bactérie anaérobe facultative prévalente, peut être divisée en sept groupes phylogénétiques principaux. Le groupe phylogénétique B2 comprend le plus grand nombre de souches responsables d'infections extra-intestinales (méningites néonatales, infections urinaires, septicémies, ...) ou chroniques (cancers, maladie de Crohn, ...). Des études épidémiologiques récentes montrent que le portage de ces souches est en augmentation dans les pays industrialisés, au détriment du groupe ancestral A. L'objectif de mon projet de thèse était de déterminer les facteurs à l'origine de cette évolution. Une analyse génétique montre que les souches du groupe phylogénétique B2 ont développé une très grande capacité à acquérir le fer, notamment via les sidérophores. Les souches appartenant au groupe B2 sont aussi les seules capables de synthétiser une génotoxine, la colibactine. Celle-ci induit des cassures de l'ADN double brin dans les cellules eucaryotes, pouvant être à l'origine de cancers colorectaux ou d'un défaut de développement de la barrière intestinale. Les sidérophores et la colibactine appartiennent à la même famille de molécules, i.e. des hybrides polycétide-peptide non ribosomaux. Leur biosynthèse fait intervenir des enzymes multifonctionnelles qui doivent être activées par fixation covalente d'un groupement 4'-phosphopantethéïnyl (P-pant). Cette modification post-traductionnelle est catalysée par la 4'-phosphopantethéïnyl transférase (PPTase). La PPTase ClbA est impliquée dans la synthèse de colibactine. La PPTase impliquée dans celle des sidérophores est EntD. Récemment, notre équipe a montré que ClbA pouvait participer à la synthèse des sidérophores, et remplacer EntD. Ceci montrait pour la première fois une connexion entre les multiples voies nécessitant des PPTases et conduisant à la biosynthèse de métabolites secondaires fonctionnellement distincts dans un micro-organisme donné. Dans la mesure où l'expression de entD et la synthèse des sidérophores sont régulées par la disponibilité en fer, nous avons fait l'hypothèse que l'expression de clbA et synthèse de la colibactine étaient également régulées par la quantité de fer. / The intestinal microbiota, i.e. the microorganisms present in the intestinal tract, plays a major role in diverse host functions: digestive, metabolic, immune and neurologic. Escherichia coli is a normal inhabitant of the commensal intestinal microflora of the human and mammals, and colonizes the gut within few days after birth. E. coli can be classified into 7 major phylogenetic groups. The B2 group contains the highest number of strains responsible for chronic (cancers, Crohn's disease, ...) or extra-intestinal infections (neonatal meningitis, septicemia, urinary tract infections, ...). Epidemiologic studies demonstrated that the prevalence of the B2 strains increases in industrialized countries, to the detriment of the ancestral A group. The objective of this study was to determine the factors involved in this evolution. Genetic analysis showed that strains from the phylogenetic B2 group have high capacities to take up iron through numerous siderophores. Moreover, only B2 strains are able to produce the genotoxin colibactin, which induces double strand brakes DNA in eukaryotic cells, leading to colorectal cancers or to altered development of the intestinal barrier. Siderophores and colibactin belong to the same family of molecules, i.e. hybrid polyketide-non ribosomal peptide. Their biosynthesis involves multifunctional enzymes that need to be activated by the covalent binding of a 4'-phosphopantetheinyl moiety. This post-translational modification is catalyzed by 4'-phosphopantetheinyl transferase (PPTase). The PPTase involved in colibactin and in siderophore biosynthesis are ClbA and EntD respectively Our team has recently demonstrated that ClbA can sustain siderophores biosynthesis, and replaces EntD, highlighting a connexion between multiple pathways and leading to the biosynthesis of distinct secondary metabolites in a given micro-organism. Because entD expression and siderophores synthesis are regulated by iron availability, we hypothesized that ClbA and colibactin are also regulated by iron availability. In this study, we show that transcription of clbA and colibactin production decreased in presence of high iron availability, and this regulation occurred through two pathways: dependent and independent on the two major regulators of iron homeostasis, FUR (Ferric Uptake Regulator) and RyhB. This regulation could allow a fine tuning production of siderophores and colibactin, and give an advantage in the establishment of intestinal tract colonization. The potential role of the colibactin in the establishment of intestinal tract colonization by E. coli constitutes the second part of my work.

E. coli K-12 peut survivre lors d'une incubation prolongée en carence en Pi, en condition aérobie, grâce à l'induction par RpoS de poxB et gadB. Les mutants rpoS survivent en utilisant une nouvelle stratégie. Le métabolisme des mutants rpoS nécessite l'activité du répresseur Fur pour diminuer la synthèse du petit ARN RyhB, qui inhibe la synthèse de protéines riches en fer (Sdh et FumA). L'activité Fur et l’absence de RpoS permettent ensemble qu’une activité substantielle du cycle TCA se poursuive en phase stationnaire, ce qui diminue la production d'acide acétique et, finalement, permet la croissance sur l'acide acétique et le Pi excrété dans le milieu. Lors d'une évolution expérimentale dans un milieu minimum limitant en Pi, les bactéries de type sauvage donnent rapidement naissance à des mutants qui détoxiquent l'acide acétique du milieu et survivent lors d'une incubation prolongée. Une souche évoluée ajoutée en minorité dans une culture mixte peut croître entre les jours 1 et 3 d’incubation grâce à l’acquisition de deux mutations : une délétion de 1 pb qui inactive RpoS et une délétion de 8 bp qui active PhnE, un transporteur de produits phosphorylés qui est normalement cryptique. Les mutants phnE+ rpoS- peuvent croître dans des cultures contenant une majorité de bactéries de type sauvage (phnE- rpoS+) grâce à 1°) l'activité PhnE, qui pourrait récupérer des produits phosphorylés excrétés par les bactéries de type sauvage carencées en Pi, et 2°) le manque d'activité RpoS qui, d’une part favorise l'induction du régulon PHO et donc de phnE, et d’autre part maintient l’entrée du flux métabolique dans le cycle TCA. / E. coli K-12 can survive prolonged incubation under aerobic, Pi starvation conditions as a result of the induction by RpoS of poxB and gadB. However, rpoS mutants survived Pi starvation by using a new strategy. Metabolism in rpoS mutants required the activity of Fur in order to decrease the synthesis of the small RNA RyhB that might otherwise inhibit the synthesis of iron-rich proteins such as SDH and FumA. Fur activity and the lack of RpoS activity allow a substantial activity of the TCA cycle to continue in stationary phase in rpoS mutants, which decreases the production of acetic acid and, eventually, allows growth on acetic acid and Pi excreted into the medium. During experimental evolution experiments conducted in Pi-limiting medium containing no glutamate, wt cells rapidly evolved mutants that detoxified acetic acid from the medium and survived during prolonged incubation. One evolved strain, added as a minority in mixed culture, could grow between days 1 and 3 of incubation provided that the PHO regulon was induced. One mutation that inactivated RpoS activity and one that activated the PhnE phosphorylated products-transport activity (normally cryptic) were necessary and sufficient to provide such phenotype. phnE+ rpoS- double mutants can grow in cultures containing a majority of wt cells (phnE- rpoS+) probably because PhnE activity scavenges low levels of phosphorylated products excreted by wt cells, when the lack of RpoS activity helps to maintain induction of the PHO regulon and a substantial activity of the TCA cycle in slow growing cells.

Erwinia chrysanthemi 3937 est une bactérie phytopathogène responsable de maladies de type pourriture molle sur une large gamme de plantes. Durant l'infection, les bactéries se disséminent de manière extracellulaire, au niveau de l'apoplasme des tissus aériens du végétal où elles doivent s'adapter à des conditions de stress oxydant et une faible disponibilité en fer. Comme cet élément est essentiel et paradoxalement génère des radicaux hydroxyles hautement toxiques via la réaction de Fenton, une régulation fine des quantités intracellulaires en fer est primordiale pour la bactérie. L'homéostasie du fer implique une classe de protéines dénommées ferritines qui séquestrent le fer sous forme non réactive et biodisponible notamment lorsque le métal devient limitant dans l'environnement. Le génome d'E. chrysanthemi 3937 comporte une centaine de gènes dédiés au métabolisme du fer dont 4 sont supposés être impliqués dans le stockage intracellulaire du fer : le gène ftnA codant une ferritine de type eucaryote, le gène bfr codant une bacterioferritine contenant des groupements hème et les gènes dps1 et dps2 codant deux protéines Dps (DNA-binding proteins from starved cells). L'inactivation de ces gènes a montré que la ferritine FtnA contribue principalement au stockage intracellulaire du fer. Le rôle des ferritines ne se limite pas à servir de réserves de fer intracellulaire : ainsi la protéine FtnA participe à la résistance au stress oxydant et la protéine Dps1 pourrait jouer un rôle dans la détoxication du peroxyde d'hydrogène. Conformément à leur rôle dans le stockage intracellulaire du fer, les gènes ftnA, bfr et dps1 sont exprimés en réponse à la biodisponibilité en fer par la protéine Fur (Ferric uptake repressor), mais de manière temporellement différentielle au cours de la croissance bactérienne et selon des mécanismes distincts. Seule l'induction du gène ftnA par le fer et Fur est dépendante de l'ARN anti-sens RyhB. Par ailleurs, les gènes bfr et dps1 sont induits en phase stationnaire de croissance par le facteur σS. Les travaux réalisés au cours cette thèse ont permis de caractériser les intervenants de l'homéostasie du fer chez E. chrysanthemi 3937, d'acquérir une vue globale du trafic intracellulaire du fer et d'en apprécier leur contribution respective dans la pathogénie.

Enteropathogenic bacteria, such as Shigella and Salmonella, are associated with diarrheal diseases, which remain a significant cause of infant mortality worldwide. The secretion of protein effectors by the type III secretion apparatus (T3SA) is used by these pathogens to invade human cells and modulate host cell functions. First, we used RNA-Seq to analyze the differential transcriptome of Shigella flexneri when the T3SA is active or inactive. This allowed us to identify two uncharacterized genes that were temporarily named gem1 and gem3 and whose expression was regulated by MxiE and IpgC as other late substrates of the T3SA. Finally, we pursued the characterization of gem1 and gem3 at the protein level and renamed them icaT and icaR, respectively, when we found their protein products were secreted by the T3SA. Furthermore, we find homologs of icaT and icaR with a conserved MxiE box in several E. coli phylogroups. We also demonstrated that these homologous genes could be reactivated when both MxiE and IpgC were introduced in these strains. This discovery paved a new perspective on the evolution of pathogenesis into the E. coli lineage as both commensal and pathogenic strains harbored these genes. Treating infections caused by Enterobacteriaceae is becoming more challenging due to growing antibiotic resistance and no vaccines are widely available. Accordingly, the World Health Organization (WHO) recognized that we entered the "post-antibiotic era," where new antibiotics or antivirulence drugs are urgently needed, including for Shigella. The T3SA is an attractive target for antivirulence drugs, which may become alternative to classical antibiotics. Through screening 3,000 compounds, we found two novel inhibitors of the T3SA. Our data suggested that one of these candidate inhibitors, a dipyridyl-containing compound, reduces the virulence of Shigella at the transcriptional level. Indeed, the virulence inhibition occurs via the repression of the transcriptional activator VirB by the small chromosomal RNA RyhB, which is upregulated by this compound through an unknown mechanism involving the pyridyl groups. The repression of VirB induced by this molecule reduce the expression of several genes encoding parts of the T3SA. In comparison, the second compound is a quinone that seems to affect the assembly of the T3SA.

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