Staphylococcus lugdunensis and Staphylococcus schleiferi, two newly described species, have been isolated from numerous types of human infections. We compared the pathogenicity of 30 strains of S. lugdunensis, S. schleiferi, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus warneri, and Staphylococcus hominis, using a mouse model in which a foreign body preadhered with the test strain was implanted subcutaneously, followed by injection of the test strain. All five species of staphylococci produced abscesses. Staphylococcus epidermidis, S. schleiferi, and S. lugdunensis yielded species means of 76-91% abscess formation; 80-100% of the infected foreign bodies and tissues were culture positive. These three species were more virulent than S. warneri or S. hominis, which produced abscesses in 54 and 65% of mice, respectively; only 10-48% of the infected samples were culture positive. Transmission electron microscopy of pure cultures of selected strains showed that all species possessed glycocalyx. All species produced a variety of possible virulence factors, such as α and δ hemolysins, as well as the aggressins lipase and esterase. The production of exoenzymes did not always correlate with virulence as demonstrated by abscess formation in mice.

Staphylococcus lugdunensis est un staphylocoque à coagulase négative qui présente de nombreuses particularités sur le plan clinique et microbiologique. Cette bactérie commensale de la peau est impliquée dans des infections humaines d’une particulière gravité. Ce travail de thèse nous a permis de déterminer que S. lugdunensis présente bien une pathogénicité tout à fait inhabituelle pour un SCN car 37.2% de toutes les souches recueillies entre 2013 et 2016 étaient impliquées dans un processus infectieux. Nous avons aussi observé que les infections ostéo-articulaires en étaient la première manifestation. Nous avons découvert une nouvelle protéase excrétée par 61.7% des souches qui présente une association statistique forte avec les infections ostéo-articulaires. Il s’agit d’une métalloprotéase de 37 kDa que nous avons pu purifier puis séquencer afin de caractériser ses propriétés biochimiques et son environnement génique. Enfin, nous avons aussi réalisé un séquençage de novo de 7 souches de S. lugdunensis et démontrer l’existence de multiples éléments génétiques mobiles. / Staphylococcus lugdunensis is a coagulase negative staphylococcus species that may causes various infections of unusual severity. We conducted a translational study with a prospective clinical trial that aimed to describe S. lugdunensis infections and its real pathogenicity, associated with a systematic research of in vitro putative virulence factors. The final objective was to determine the statistical relationship between those two and find a putative real virulence factor. This trial was conducted between 2013 and 2016. It showed that S. lugdunensis displayed a high level of pathogenicity as 37.2% of all strains isolated came from infected patients and most of those infections were osteoarticular infections. We discovered a new protease that we named lugdulysin and that was strongly associated with osteoarticular infections. This secreted protein of 37 kDa was purified and sequenced, we characterized its chemical properties and the nucleotide environment of the coding sequence. We also achieved de novo sequencing of 7 strains of S. lugdunensis and found that several mobile genetic elements belonged to the sequences as plasmids and prophages.

L’hidrosadénite suppurée (HS) ou maladie de Verneuil, est une maladie cutanée orpheline fréquente qui touche 1 % de la population générale. Elle se manifeste par des lésions inflammatoires récidivantes ou chroniques des plis axillaires, inguinaux et périnéaux. La sévérité clinique de la maladie varie selon les patients. Les lésions les moins sévères (lésions de stade 1 dans la classification de sévérité clinique de Hurley) sont des nodules inflammatoire centimétriques pouvant évoluer vers l’abcédation. Les lésions les plus sévères (lésions de stade 2 et 3 de Hurley) sont des lésions suppurées étendues et chroniques. Sur le plan histologique, la lésion primitive de l’HS semble être une hyperplasie de l’épithélium du follicule pileux. La physiopathologie de la maladie est mal connue et probablement multifactorielle, incluant des facteurs génétiques, hormonaux, infectieux et dys-immunitaires. Il a été montré récemment qu’une antibiothérapie à large spectre pouvait permettre d’obtenir une rémission clinique prolongée des lésions inflammatoires de l’HS. Objectif du travail : L’objectif principal de ce travail était d’identifier par des techniques de culture classique et de métagénomique bactérienne les espèces ou les flores bactériennes spécifiquement associées aux lésions d’HS des trois stades de sévérité clinique. Résultats : Nous avons identifié par culture bactérienne deux profils bactériens lésionnels. Le premier était représenté par Staphylococcus lugdunensis, et plus rarement par d’autres espèces bactériennes de la flore cutanée commensale (Propionibacterium acnes, staphylocoques à coagulase négative et Staphylococcus aureus). Le second correspondait à une flore anaérobie composée de bactéries anaérobies stricts, d’Actinomycetes et de streptocoques du groupe milleri. L’approche métagénomique a permis d’identifier les germes anaérobies stricts associés aux lésions : des cocci à Gram positif de la flore cutanée (principalement Anaerococcus spp., Peptoniphilus spp., Finegoldia spp.) des bacilles à Gram négatif anaérobies n’appartenant pas à la flore cutanée (Prevotella spp., Porphyromonas spp., Fusobacterium spp), Veillonellaceae et Corynebacteriaceae. Ce profil était caractéristique des lésions suppurées chroniques de stade 2 et 3 et était également associé à certaines lésions de stade 1. Les lésions des stades 2 et 3 présentaient une diversité bactérienne supérieure à celle des lésions de stade 1, avec un nombre plus élevé de taxons très minoritaires dans la flore cutanée (Fusobacteria, Bacteroidetes, Peptococcaceae, Erysipelotrichales). Conclusion : Cette étude démontre que certaines espèces bactériennes sont spécifiquement associées aux lésions d’HS. Ces espèces sont impliquées dans des infections cutanées, mais aussi dans des infections sévères, ce qui témoigne de leur pathogénicité. L’efficacité des antibiotiques chez les patients et les résultats de cette étude suggèrent qu’un processus infectieux participe à la présentation clinique de l’HS. Notre hypothèse est que ces infections surviennent en raison d’une anomalie primitive de la barrière cutanée folliculaire. / Hidradenitis suppuratiav (HS) is an orphan skin inflammatory disease disease characterized by chronic or recurrent inflammatory lesions localized in the armpits, the inguinal and perineal folds. With a 1% prevalence of a general population, HS is an public health issue. The clinical severity of the disease is heterogeneous among patients. Most patients present the mild form of the disease with inflammatory nodules and abscesses (Hurley stage 1 lesions). More severe patients show extended chronically suppurating lesions (Hurley stage 2 and Hurley stage 3 lesions). The primary histological lesion of HS is characterized by epidermal follicular hyperplasia and perifollicular inflammation. The physiopathology of HS remains unclear. HS is probably a multifactorial disease, involving genetical, immunological and infectious factors. Indeed, wide-spectrum antibiotic treatments can significantly improve or induce prolonged clinical remissions of HS inflammatory lesions. Objective: The main objective of this work was to identify the bacterial species or flora specifically associated with Hurley stage 1, 2 and 3, using prolonged aerobic and anaerobic culture and bacterial metagenomics (454 sequencing of 16Sr DNA libraries). Results. Using bacterial culture, we identified two bacterial profiles associated with HS lesions . The first one was represented by Staphylococcus lugdunensis and rarely by other skin commensals (Propionibacterium acnes, coagulase negative staphylococci and Staphylococcus aureus). Results. The second one corresponded to a mixted anaerobic flora including strict anaerobes, Actinomycetes and milleri group streptococci. The metagenomic approach allowed to identify the anaerobic flora associated with lesions : Gram positive cocci from the cutaneous flora (mainly Anaerococcus spp., Peptoniphilus spp., Finegoldia spp.) and Gram negative rods which do not belong to the cutaneous microbiota (Prevotella spp., Porphyromonas spp., Fusobacterium spp), Veillonellaceae and Corynebacteriaceae. This profile was typically associated with Hurley stage 2 and 3 lesions but was also observed in Hurley stage 1 lesions. Hurley stage 2 and 3 lesions presented an increased bacterial diversity as compared to Hurley stage 1 lesions, with a higher number of taxa taxa rarely associated with normal skin microbiota (Fusobacteria, Bacteroidetes, Peptococcaceae, Erysipelotrichales). Conclusion. This study demonstrate that particular bacterial species are specifically associated with HS lesions. These species are cause soft tissue and skin infections, but also in severe infections arguing for their pathogenicity. These data provide a rationale for antibiotic use in HS, and suggests that the disease may be due to a primitive immune defect of the follicular skin barrier.

La première partie de nos travaux a consisté au séquençage de génomes complets de trois souches pathogènes et de trois souches de portage de Staphylococcus lugdunensis pour les comparer aux 15 génomes complets disponibles sur NCBI. Aucun déterminant génétique associé au contexte de virulence ou de portage de S. lugdunensis n’a été identifié. Cependant, nous avons mis en évidence la présence d’éléments génétiques mobiles et des variations dépendantes des complexes clonaux,définis par MultiLocus Sequence Typing, au sein de loci potentiellement associés à la virulence. Des variations ont été observées dans un locus homologue à celui de Staphylococcus aureus codant le système de sécrétion Ess/type VII (SST7). Nous avons mis en évidence huit organisations génétiques chez cette espèce présentant pourtant une structure de population clonale. La seconde partie de nos travaux a consisté à la caractérisation phénotypique et moléculaire du SST7 chez S. lugdunensis par la formation d’un mutant de délétion du gène essC codant une protéine essentielle à la sécrétion. Nos résultats suggèrent que le SST7 serait impliqué dans la translocation de protéines prédites in silico comme impliquées dans la virulence. Néanmoins, dans des modèles de cytotoxicité cellulaire et d’infection du nématode Caenorhabditis elegans, aucune atténuation de la virulence n’a été observée chez la souche mutante malgré une perte de sa capacité à lyser les erythrocytes, comparativement à la souche sauvage. Nos travaux ont également permis de développer et d’évaluer le pouvoir discriminant de trois nouvelles méthodes de typage constituant des outils très prometteurs pour l’épidémiologie moléculaire des infections à S. lugdunensis. / The first part of this study consisted in whole genome sequencing of three pathogenic and three carriage strains of S. lugdunensis and comparison with the 15 genomes available in the NCBI. No genetic determinant was associated to the pathogenic or carriage context. However, we have highlighted the presence of mobile genetic elements and MultiLocus Sequence Typing clonal complex dependent variations within loci potentially associated with virulence. Variations wereobserved in the ess locus homologous to that of Staphylococcus aureus encoding the type VII secretion system (T7SS). We showed eight genetic organizations in this species with a clonal population structure. The second part of our work consisted in a phenotypic and molecular characterization of T7SS in S. lugdunensis by construction of a deletion essC gene mutant. This gene encodes a protein requiredfor protein secretion. Our results suggest that T7SS could be involved in translocation of proteins predicted as implicated in virulence in silico. Nevertheless, no virulence attenuation was observed in cells cytotoxicity assay and Caenorhabditis elegans virulence assays between wild-type and mutant strains which yet has lost the ability to lyse erythrocytes. We also developed and evaluated discriminating power of three new typing methods, which are very promising tools for the molecular epidemiology of S. lugdunensis infections.

Nos travaux ont cherché à mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la virulence de Staphylococcus lugdunensis, espèce au pouvoir pathogène proche de celui de Staphylococcus aureus. Nous avons procédé à la première caractérisation fonctionnelle chez cette espèce d’un système à deux composants, LytSR. Ce système s’est révélé impliqué dans le contrôle de processus métaboliques majeurs et dans la virulence. Il est en effet impliqué dans la formation de biofilm, probablement en lien avec le contrôle exercé sur la mort cellulaire. LytSR est de plus impliqué dans la pathogenèse des infections à S. lugdunensis, comme démontré dans le modèle d’infection du nématode Caenorhabditis elegans. Pour mieux caractériser et suivre la diffusion de clones prédominants chez cette espèce, nous avons dans un deuxième volet développé trois nouvelles méthodes de typage (MLVA, TRST et fbl-typing), reposant sur le polymorphisme de séquences répétées en tandem. Ces méthodes se sont révélées très discriminantes, permettant la définition de nouveaux génotypes chez cette espèce clonale. Ces outils sont à ce titre très prometteurs pour des études micro- comme macro-épidémiologiques chez S. lugdunensis, le fbl-typing apparaissant à bien des égards comme l’outil utilisable en première ligne (http://fbl-typing.univ-rouen.fr/). Enfin, nous avons montré que la variabilité de la liaison de S. lugdunensis au fibrinogène in vitro peut être en partie expliquée par des variations génétiques de fbl. / Our work has sought to better understand mechanisms involved in Staphylococcus lugdunensis virulence, a species whose pathogenicity is close to that of Staphylococcus aureus. We performed the first functional characterization of a two-component regulatory system, LytSR, in this species. This system has been shown to be involved in the control of major metabolic processes and in virulence. It is indeed involved in biofilm formation, probably in connection with the control of cell death. LytSR is furthermore implicated in the pathogenesis of S. lugdunensis infections, as demonstrated in the infection model of the nematode Caenorhabditis elegans. To better characterize and monitor the diffusion of predominant clones in this species, we have in a second part developed three new typing methods (MLVA, TRST and fbl-typing), based on the polymorphism of variable number of tandem repeats. These methods were highly discriminant, allowing the definition of new genotypes in this clonal species. These tools are very promising for micro- and macro-epidemiological studies in S. lugdunensis, fbl-typing appearing in many ways as the frontline tool (http://fbl-typing.univ-rouen.fr/). Finally, we have shown that the variability of the binding of S. lugdunensis to fibrinogen in vitro can be partly explained by some fbl genetic variations.