Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les Escherichia coli producteurs de Shiga-toxines (STEC) sont responsables d'infections humaines, allant d'une diarrhée aqueuse bénigne pouvant se compliquer en syndrome hémolytique et urémique (SHU), parfois mortel. La transmission de STEC à l'Homme s'effectue principalement par l'ingestion d'aliments contaminés. Le principal facteur de virulence des STEC est le gène stx (codant la Shiga-toxine), localisé dans le génome d'un prophage. La thèse a été centrée sur les STEC O26:H11, deuxième sérotype à l'origine de SHU dans le monde, et premier retrouvé dans les fromages au lait cru.Le premier objectif était de caractériser génétiquement les STEC O26:H11 et leurs phages Stx (variants du gène stx et sites d'insertion des phages Stx) afin d'identifier d'éventuelles différences entre ces souches selon leur origine. La majorité des souches alimentaires et bovines étudiées possèdent le variant stx1a et leurs phages Stx sont intégrés dans wrbA et yehV. Les souches humaines possèdent les variants stx1a et stx2a en proportions équivalentes. Leurs phages Stx sont aussi intégrés dans wrbA et yehV mais à la différence des souches alimentaires et bovines, le site yecE a été identifié comme site d'insertion. Toutes les souches humaines qui possédaient un phage Stx2a intégré dans wrbA et yecE ont causé des SHU ; ce qui pourrait être un indicateur de haute virulence. Des études ont montré que des souches E. coli Attachant/Effaçant (AEEC) O26:H11 sont isolées à partir d'aliments identifiés comme « stx+ » par PCR. En dehors de l'absence du gène stx, ces souches AEEC sont similaires aux STEC. Leur caractérisation a montré ici que la majorité d'entre elles ont leurs sites d'insertion intacts, caractéristique compatible avec une perte de phage Stx par excision spontanée. La stabilité des phages Stx a donc été évaluée chez les STEC O26:H11. La présence/absence de phages Stx a été quantifiée par PCRq pour chaque souche au niveau de la population bactérienne entière montrant que les STEC ont la capacité de perdre leurs phages Stx. En revanche, cette instabilité n'est pas liée aux sites d'insertion. Plusieurs essais visant à introduire des phages Stx dans les souches AEEC pour les convertir en STEC ont été réalisés mais les résultats ont montré qu'il était difficile d'infecter ces souches. L'étude du taux d'induction des phages Stx in vitro chez les STEC O26:H11 a montré, qu'en présence de mitomycine C, les phages Stx2 étaient plus inductibles que les phages Stx1. En revanche, il n'a pas été mis en évidence de différences en fonction de l'origine des souches testées et du site d'intégration des phages Stx. L'analyse morphologique de quelques phages Stx a montré que le type Stx1 ou Stx2 n'était pas lié à une forme spécifique de phage. L'étude des stress relatifs à la technologie fromagère a montré que le stress salin et le stress oxydatif, lié à la libération potentielle d'H2O2 par d'autres bactéries, entrainaient l'induction des phages Stx. Comme des souches AEEC sont fréquemment isolées à partir d'aliments qualifiés de « stx+» par PCR, le processus analytique d'isolement des STEC a aussi été étudié. La production de phages Stx lors de la phase d'enrichissement semble possible à partir d'un aliment contaminé. En revanche, aucun composant de cette méthode, testé individuellement, n'a pu être identifié comme inducteur des phages Stx. Ces travaux ont permis d'acquérir des connaissances sur la diversité des phages Stx issus de STEC O26:H11 isolées chez l'Homme et dans la filière laitière. Des différences au niveau des variants du gène stx mais aussi des sites d'insertion des phages Stx ont pu être observées en fonction de l'origine des souches. De plus les niveaux d'induction des phages Stx diffèrent selon le variant du gène stx. Ces différences pourraient refléter l'existence de clones distincts, aux potentiels de virulence différents, circulant dans les aliments, chez les bovins et les patients / Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) are responsible for human infections, ranging from mild diarrhea to hemolytic-uremic syndrome (HUS), sometimes with fatal outcome. Transmission of STEC to humans occurs mainly through the ingestion of contaminated food. The main virulence factor of STEC is the stx gene (encodes Shiga-toxin) located in the genome of a prophage. The PhD thesis was focused on STEC O26:H11, which is the second serotype causing HUS in the world, and the first one found in raw milk cheeses. The first objective was to characterize genetically STEC O26:H11 strains and their Stx phages (stx gene subtypes and insertion sites of Stx phages) in order to identify any differences between these strains according to their origin. The majority of the investigated food and bovine strains possessed stx1a subtype and their Stx phages were integrated into wrbA and yehV. Human strains possessed the stx1a and stx2a subtypes in equivalent proportions. Their Stx phages were also integrated into wrbA and yehV but unlike food and bovine strains, yecE site were identified as insertion site. All the human strains carrying an Stx2a phage integrated into wrbA and yecE caused HUS, which could indicate a high virulence. Studies showed that Attaching/Effacing E. coli (AEEC) O26:H11 strains were isolated from foods identified as "stx +" by PCR. Except for the absence of stx gene, these AEEC strains are similar to STEC. Their characterization showed, in this study, that the majority of them had intact insertion sites, in agreement with a possible loss of Stx phage by spontaneous excision. The stability of Stx phages was evaluated in STEC O26:H11. Presence/absence of Stx phages was quantified for each strain in the total bacterial population, showing that STEC were capable of losing their Stx phages. However, this instability was not related to the insertion sites. Several attempts to introduce Stx phages in AEEC strains in order to convert them into STEC were conducted but the results showed that it was difficult to infect these strains. The induction rate of Stx phages in vitro in STEC O26:H11 showed that, with mitomycin C, the Stx2 phages were more inducible than Stx1 phages. However no difference was found with the origin of the strains tested and the Stx phage integration site used. The morphological analysis of some Stx phages showed that Stx1 or Stx2 type was not related to a specific phage shape. Study of various stress related to the cheese-making process showed that the osmotic and oxidative stress related to the potential release of H2O2 by other bacteria, led to the induction of Stx phages. Because AEEC strains are frequently isolated from food qualified as "stx+" by PCR, the analytical STEC isolation procedure was studied for its ability to induce Stx phages. Production of Stx phages during the enrichment phase seemed possible from contaminated food. However, none of the components of this method, tested individually, could be identified as an inducer of Stx phages. This work highlighted the diversity of Stx phages from STEC O26:H11 isolated from humans and dairy sector. Differences in stx subtypes and Stx phages insertion sites present among the STEC O26:H11 strains were observed depending on the origin of the strains. Moreover the induction levels of Stx phages differed according to the stx subtypes. These differences might reflect the existence of distinct clones, with varying virulence potential, circulating in foods, cattle and patients

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’introduction commence avec la description de toxines d’origines bactérienne et végétale, en particulier la toxine Shiga ainsi que les toxines de la même famille (chapitre 9.1.2). Les petites molécules inhibitrices de ces toxines sont ensuite résumées dans le chapitre 9.1.3, en particulier le composé Retro-2. L’efficacité de ces toxines à atteindre leurs cibles reposant sur le trafic intracellulaire, un aperçu général de l’endocytose et du trafic endosomal sont présentés (chapitre 9.2). Puis, l’entrée de la voie rétrograde est décrite (chapitre 9.2.5), avec un intérêt particulier porté sur la clathrine, le rétromère et GPP130, une protéine qui circule de manière continue entre le Golgi, la membrane plasmique et les endosomes. Les protéines SNARE, en particulier la syntaxine-5 et le syntaxine-16, sont ensuite introduites (chapitre 9.2.6). Après une brève section sur les micro-ARNs de la famille 199 (chapitre 9.3), l’introduction se termine avec la description des techniques clés utilisées au cours de mon travail, tels que la chimie click bio-orthogonale, la synchronisation du trafic antérograde par rétention grâce à des hameçons spécifiques (RUSH), et la ligation par proximité basé sur des anticorps (chapitre 9.4).Ci-inclus, mon article en cours de soumission ouvre la partie résultats (chapitre 10.1), dans laquelle je présente l’intérêt de la chimie click bio-orthogonale pour identifier les cibles cellulaires de Retro-2. Je décris un des candidats potentiels, Sec16A, et illustre comment grâce à la technique de RUSH, perturber la fonction de Sec16A conduit à la relocalisation partielle de la syntaxin-5 au niveau du reticulum endoplasmique via l’inhibition du transport antérograde de la syntaxine-5. La seconde partie de l’article décrit comment la relocalisation de la syntaxine-5 induit l’inhibition du trafic de la toxine Shiga des endosomes au TGN. Je présente une nouvelle interaction entre la syntaxine-5 et la protéine TGN GPP130, qui ont déjà été caractérisées en relation avec le trafic de la toxine Shiga. Mon travail connecte à la fois les facteurs de trafic avec le trafic rétrograde au niveau de l’interface endosome-TGN. De manière frappante, cette interaction est très probablement basée sur une fonction non-SNARE de la syntaxine-5 car le domaine de fixation sur GPP130 est structurellement non lié à toute fonction SNARE.En collaboration avec Juan Francisco Aranda et Carlos Fernandez aux Etats-Unis, nous avons placés des micro-ARNs dans un contexte de régulation endogène du trafic rétrograde de la toxine Shiga (chapitre 11.2). Une discussion plus approfondie sera apportée dans le chapitre 12.Enfin, une vue d’ensemble des projets en cours est apportée dans la section des perspectives (chapitre 12), dans laquelle les collaborations plus approfondies sont mises en lumière.Mots clés : transport rétrograde, toxine Shiga, toxine de la famille Shiga, STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, chimie click sans cuivre, identification des cibles de petites molécules, spétrométrie de masse, function non-SNARE, inhibition du trafic antérograde, miARN, miR199, rétromère, VPS26 / The introduction of my PhD manuscript starts with describing plant and bacterial toxins (chapter 9.1), in particular Shiga toxin and Shiga-like toxins (SLTs) (chapter 9.1.2). Small molecule inhibitors of these toxins are summarized afterwards in chapter 9.1.3, notably the Retro-2 compound. Since these toxins rely on intracellular trafficking to reach their molecular targets, a general overview of endocytosis and endosomal trafficking is provided (chapter 9.2). Next, the retrograde route entry is presented (chapter 9.2.5), with focus on clathrin, the retromer and GPP130, a protein that constantly cycles between Golgi, plasma membrane, and endosomes. SNARE proteins, particularly syntaxin-5 and syntaxin-16, are then introduced (chapter 9.2.6). After a brief section of the micro RNA family 199 (chapter 9.3), the introduction finishes with the description of some salient techniques that were used in my work, such as - bio-orthogonal Click-Chemistry, anterograde trafficking synchronization with the retention using selective hooks (RUSH) assay, and the antibody-based proximity ligation assay (chapter 10.6.1, 0, 10.11.1).Herein, my submitted publication opens the results part (chapter 11.1), in which I present the utility of biorthogonal click chemistry for the search of the cellular targets of Retro-2, a small molecule inhibitor that was previously shown to protect cells and animals against Shiga toxin and ricin. I describe that Sec16A is a likely cellular target candidate, and illustrate using the RUSH approach how interfering with Sec16A functions leads to the partial relocalization of syntaxin-5 to the endoplasmic reticulum (ER) by slowing-down its anterograde transport. The second part of the paper describes how syntaxin-5 relocalization causes the inhibition of Shiga toxin trafficking from endosomes to the TGN. I present a novel interaction between syntaxin-5 and the Golgi protein GPP130, which both have been already described in relation to Shiga toxin trafficking. My work connects both trafficking factors in retrograde trafficking at the endosomes-TGN interface. Strikingly, I demonstrate that this interaction is most probably based on a non-SNARE function of syntaxin-5.In collaboration with Juan Francisco Aranda and Carlos Fernandez in the US, we put micro RNAs into an endogenous regulation context of Shiga toxin retrograde trafficking (chapter 11.2). An extended discussion will be given in chapter 12.Last, a general outlook of ongoing projects is given in the perspectives section (chapter 13), in which further collaborations are highlighted.Keywords: Retrograde transport, Shiga toxin, Shiga-like toxin (SLT), STxB, syntaxin-5, Sec16A, GPP130, Retro-2, Retro-2.1, azide-functionalized Retro-2, copper-free click chemistry, small molecule target identification, mass spectrometry, non-SNARE function, anterograde trafficking inhibition, miRNA, miR199, retromer, VPS26

La pathogénicité des souches d'Escherichia coli producteurs de Shiga-Toxines (STEC) dans les fromages est peu connue à ce jour et bien que la prévalence des STEC dans les matrices au lait cru soit élevée, le nombre de cas épidémiologiques liés à leur consommation reste rare. L'objectif de la thèse est d'apporter des éléments de compréhension de cette pathogénicité en axant nos travaux sur (i) la caractérisation génétique de souches isolées de produits laitiers, (ii) l'étude de l‘inhibition de l'adhésion des EHEC grâce aux globules gras du lait et des fromages au lait cru. Les données de l'étude sur la diversité génétique par PFGE d'une Une collection de souches de STEC isolées de produits au lait cru présentent une grande diversité de profils de macrorestriction révélés par électrophorèse en champ pulsé (PFGE). L'analyse de leur profil de virulence par approche rt-qPCR a montré que, à l'exception de quelques gènes (stx1/2 chez les STEC O26:H11 et les gènes stx1, nleF et Z6065 chez les STEC O157:H7), ces souches isolées de produits laitiers possèdent le patrimoine génétique propre à déclencher les pathologies à EHEC. Des associations entre les globules gras et les EHEC ont été mise en évidence par microscopie à épi fluorescence. Nos travaux ont également montré une inhibition de l‘adhésion de deux souches EHEC à des enthérocytes en culture (modèle in vitro).Enfin, des tests d‘adhésion des EHEC dans une matrice fromagère appauvrie ou non en globules gras, en modèle souris ont été réalisés. Les données ont montré que la présence de globules gras induit un retard d‘excrétion des EHEC d‘un jour. Les globules gras induisent également une variation du site d‘implantation (de 6 cm) au niveau du colon. Nos travaux apportent des connaissances sur la pathogénicité des STEC issus de produits laitiers. Néanmoins, des études complémentaires sont nécessaires pour statuer sur la pathogénicité des STEC isolés de fromages au lait cru et apporter des réponses concrètes aux industriels de cette filière et aux instances décisionnelles pour l‘établissement d‘une éventuelle réglementation. / Pathogenic Shiga toxin producing Escherichia coli (STEC) are foodborn pathogens wordwild and their pathogenicity in dairy products are yet not well define. Despite their presence in such foodstuff, STEC outbreaks or isolated infectious cases due to consumption of dairy products remain rare. The main objectif of this thesis was to evaluate the potential pathogenicity of STEC in dairy products. This work was divided into two main axes: (i) the genetic characterization of STEC isolated from dairy products and (ii) the inhibition of EHEC adhesion to intestinal tract due to Milk Fat Globule (MFG) of milk and raw milk cheeses. A collection of STEC strains from dairy products showed a hight genetic diversity by PFGE analysis. Virulence profil analysis by rt-qPCR showed that dairy STEC strains present genes implicated into disease enhancement, exception of stx1/2 genes for O26:H11 STEC and stx1, nleF et Z6065 genes for O157:H7 STEC. Interactions between STEC cells and MFG, in raw milk, were confirmed by epifluorescence microscopy. EHEC adherence inhibition property of MFG to enterocytes was demonstrated by an in vitro approach. EHEC adhesion test managed in streptomycin treated CD1 mice demonstrated that the presence of MFG in cheese matrices used to feed animals induced a lag of excretion of EHEC cells one day post-feeding. Moreover, MFG induced a shift of 6 cm of the primo-implantation site of EHEC. Our study provides knowledge about pathogenicity of STEC isolated from dairy products. However, further studies are needed to determine the pathogenicity of the isolated products STEC in raw milk cheeses and provide practical solutions to industrial and risk assessment managers to developed potential reglementations.

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine). / EHEC O157:H7 are an emerging zoonotic food- and water-borne hazard highly pathogenic to humans and associated with diseases ranging from acute gastroenteritis to hemolytic uremic syndrome. From their commensal carriage by farm animals to human targets, EHEC pass through a crucial step of persistence in the open environment. Microbial endosymbiosis is one strategy used by pathogenic bacteria to survive in aquatic environments. Amoebae species are free-living protozoa found in diverse environmental habitats and known to host several water-borne pathogens. Thus amoebae could contribute to transmission of EHEC to humans. The first part of my PhD project was focused on interaction of the free-living amoebae Acanthamoeba castellanii with EHEC. The results showed that the presence of amoeba extends the persistence of EHEC that survived phagocytosis by amoebae. This demonstrates the real potential of amoebae to harbourd EHEC that may contribute to their transmission. However, absence of shiga toxins enhanced the intra-amoeba survival. Moreover, EHEC had a toxic and lethal effect on amoebae partially due to shiga toxins. The involvement of shiga toxins in the intracellular survival and mortality of amoebae suggests the value of using amoebae as a model of host/pathogen interactions to study the pathogenicity of EHEC. During their transmission cycle, EHEC encounter limitation inorganic phosphate (Pi) in the environment. Using jointly the PhoB-R two-component system (TCS) and the Pst (Pi specific transport) system, EHEC detect and respond to this Pi limitation by activating the Pho regulon. The interplay between the EHEC virulence, the Pho-Pst and/or the environmental Pi remains unknown. The second part of my project explored the role of Pho regulon (responding to Pi-limitation stress) in the virulence of EHEC. Transcriptomic analysis showed that EHEC has evolved a sophisticated response to Pi deficiency involving not only biochemical strategies that are likely critical to its survival, but also coordinating its virulence response. In these conditions, the regulator PhoB regulates directly the expression of LEE and Stx2 genes. This is confirmed by an increase in EspB secretion and Stx2 production and secretion in low Pi conditions. Moreover, the activation of Pho regulon increases biofilm formation and reduces motility in EHEC. This correlated with the induction of genes regulating curli production and repression of indole production pathway and the flagellum and PGA biosynthesis.