Submitted by Biblioteca da Faculdade de Farmácia (bff@ndc.uff.br) on 2018-01-22T12:47:14Z No. of bitstreams: 1 PATRICIA VOLLÚ SILVA.PDF: 2575547 bytes, checksum: c2489f8abe58d46ea1c2ba8977ba02e1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T12:47:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PATRICIA VOLLÚ SILVA.PDF: 2575547 bytes, checksum: c2489f8abe58d46ea1c2ba8977ba02e1 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A ilha de patogenicidade pks de 54 kb é responsável pela produção de colibactin, uma molécula genotóxica, que causa rupturas de fita dupla de DNA (DSB) das células hospedeiras, e que parece estar relacionada ao aumento do risco de desenvolvimento de câncer colorretal. Colibactin foi inicialmente descrita em Escherichia coli, mas também pode ser encontrada em outras enterobactérias, como Klebsiella pneumoniae. A biossíntese de colibactin requer a atividade enzimática da fosfopantoteinil transferase (PPTase) ClbA, que também pode contribuir para a produção dos sideróforos enterobactin e yersiniabactin em E. coli. O objetivo deste trabalho foi avaliar a virulência em amostras de E. coli e de K. pneumoniae, presença da ilha de patogenicidade pks e determinar o papel de colibactin e do sideróforo enterobactin em infecções por K. pneumoniae. Para tal, uma coleção de 218 amostras de E. coli isoladas de pacientes com infecção do trato urinário atendidas no Instituto Nacional do Câncer, Brasil e 258 amostras de K. pneumoniae isoladas de sangue de pacientes internados no Centre Hospitalier Universitaire de Toulouse, França foram avaliadas. A tipificação filogenética e a presença do gene de virulência fyuA em E. coli e do gene clbN em ambas bactérias foram avaliadas por PCR. O fenótipo hipermucoviscoso (HMV) de K. pneumoniae foi determinado pelo teste string. Foi ainda investigado o papel de colibactin e enterobactin em um modelo de pneumonia em camundongos C57BL/6JRJ e em infecções de células HeLa, utilizando a cepa K. pneumoniae SB 4496 e mutantes isogênicos deficientes em clbA, clbN ou entD. Os resultados demonstraram que entre as amostras de E. coli pesquisadas, o grupo filogenético B2 foi o mais prevalente (44,9%), seguido pelos grupos filogenéticos A (13,8%), B1 (22,0%) e D (19,3%). O gene fyuA, relacionado a produção do sideróforo yersiniabactin, foi detectado em todos os grupos filogenéticos, no entanto, a detecção do referido gene foi mais frequente no grupo B2 (P = 0,0228), sendo detectado em 74,5% das amostras deste grupo. O gene clbN, relacionado a produção de colibactin, foi detectado em 14,7% das amostras de E. coli. Vale ressaltar que todas as amostras clbN positivas pertenciam ao grupo filogenético B2, as quais também portavam o gene fyuA. Adicionalmente, três amostras de E. coli apresentaram efeito citopático em células HeLa, independente da produção de colibactin e da presença dos genes hlyC/A, hlyF, cdt e cnf1. O gene clbN foi detectado em 5,8% das amostras de K. pneumoniae. Também foi observado que a detecção de clbN foi estatisticamente significantemente (P < 0,0001) entre as amostras caracterizadas como HMV, este gene foi observado em 35% das amostras HMV analisadas. Além disso, a síntese de colibactin não pôde ser mantida pela PPTase EntD e a produção de sideróforos pela K. pneumoniae SB 4496 foi continuada por outro sistema independente de PPTases EntD e ClbA. Os resultados obtidos neste trabalho parecem indicar que a produção de colibactin não afeta a sobrevivência de K. pneumoniae hipervirulenta (hvKP) nos tecidos pulmonares de camundongos C57BL/6JRJ, nas condições estudadas. No entanto, é importante salientar que a toxina colibactin produzida por hvKP é capaz de induzir genotoxicidade em células HeLa. Ambos os genes clbA e clbN foram necessários para a manutenção da megalocitose e DBS induzida por colibactin em K. pneumoniae / The 54-kb pks pathogenicity island produces a genotoxic molecule named colibactin, which causes double-strand DNA breaks (DSB) in the host cells and enhanced colorectal cancer development. Colibactin was initially described in Escherichia coli, but can be found in other enterobacteria, including Klebsiella pneumoniaE. colibactin biosynthesis requires the enzymatic activity of phosphopantetheinyl transferase (PPTase) ClbA, which may also support the enterobactin and yersiniabactin siderophores synthesis in E. coli. The goal of this work was to evaluate the virulence of E. coli and K. pneumoniae isolates, presence of pks pathogenicity island and to determine the role of colibactin and enterobactin siderophore in K. pneumoniae infections. For this purpose, it was evaluated a collection of 218 E. coli isolates obtained from patients with urinary tract infection assisted at Instituto Nacional do Câncer, Brazil, and 258 K. pneumoniae isolates collected from blood samples from patients admitted to the Centre Hospitalier Universitaire in Toulouse, France. Phylogenetic typing and the detection of fyuA virulence gene in E. coli and clbN gene in both bacteria were assessed by PCR. K. pneumoniae hypermucoviscous (HMV) phenotype was determined by the string test. The role of colibactin and enterobactin in a C57BL/6JRJ mice pneumonia model and in HeLa cells infection was investigated using K. pneumoniae SB 4496 strain and isogenic mutants deficient in clbA, clbN or entD. Among the E. coli isolates, the phylogenetic group B2 was more prevalent (44.9%) followed by phylogroups A (13.8%), B1 (22.0%) and D (19.3%). The fyuA gene, involved in the yersiniabactin production, was detected in all phylogenetic groups studied; however, its presence was more frequently detected among the phylogroup B2 (P = 0.0228), with a high percentage of 74.5%. The clbN gene, associated to colibactin production, was detected in 14.7% of E. coli isolates. It is noteworthy that all clbN positive isolates belong to the phylogroup B2 and carry the fyuA gene. In addition, three E. coli isolates studied showed cytopathic effect in HeLa cells independently of colibactin production and the presence of hlyC/A, hlyF, cdt and cnf1 genes. Regarding K. pneumoniae, clbN gene was detected in 5.8% of the isolates. It was also observed that this detection was statistically significant (P < 0.0001) among the isolates of the HMV phenotype group, being this gene observed in 35% of the HMV isolates analyzed. In addition, it was observed that colibactin synthesis could not be maintained by the PPTase EntD. Indeed, siderophores production by K. pneumoniae SB 4496 was successful continued by another system that does not require the activity of PPTases EntD and ClbA. Results obtained in this work seem to indicate that production of colibactin does not affect the survival of hypervirulent K. pneumoniae (hvKP) in C57BL/6JRJ lung mice. Despite that, it is interesting that colibactin produced by hvKP is capable of inducing genotoxicity in HeLa cells. Both clbA and clbN genes were required for the maintenance of megalocytosis and DBS induced by colibactin in K. pneumoniae

L’ilot génomique pks de Escherichia coli et d’autres Enterobacteriaceae code des synthases depolycétides et de peptides non ribosomaux qui permettent l’assemblage d’un composé hybride polycétidepeptidenon ribosomal putative. Ce composé nommé colibactine induit des cassures double-brin de l’ADN descellules eucaryotes.La machinerie enzymatique codée par l’ilot pks comporte une protéine essentielle ClbP, atypique dansce type d’ilot. Nous avons montré que ClbP possède une partie N-terminale catalytique et périplasmique, et unepartie C-terminale associée à la membrane cytoplasmique. La structure cristalline de ClbP et des expériences demutagenèse ont révélé un site actif à sérine et des caractéristiques structurales originales, qui sont compatiblesavec une activité peptidase, confirmée par des analyses biochimiques. Dix homologues de ClbP ont été identifiésin silico dans des ilots génomiques de synthases de peptides non ribosomaux d’espèces bactériennes proches etéloignées. Tous les homologues testés ont présenté une promiscuité fonctionnelle avec ClbP. ClbP est donc leprototype d’une nouvelle sous-famille de peptidases, qui sont probablement impliquées dans la maturation decomposés peptidiques non ribosomaux.Par ailleurs, nous avons réalisé deux études épidémiologiques sur la prévalence de l’ilot pks dansl’espèce E. coli dans deux contextes physiopathologiques, l’urosepsis et les cancers coliques et rectaux. L’ilotpks était significativement associé aux souches issues d’urosepsis comparé à des souches commensales, et auxsouches issues de biopsies de tumeurs coliques comparé à des souches commensales ou issues de biopsies detumeurs rectales, de diverticuloses et de lésions iléales de maladie de Crohn. / The pks genomic island of Escherichia coli and other Enterobacteriaceae encodes polyketide andnonribosomal peptide synthases that build a putative hybrid PK-NRP compound. This compound designatedColibactin induces DNA double-strand breaks in eukaryotic cells.The pks-encoded enzymatic machinery comprises an essential protein ClbP, atypical for this type ofgenomic islands. We report that ClbP harbors a catalytic and periplasmic N-terminal part, and a C-terminal partassociated to the cytoplasmic membrane. ClbP crystal structure and mutagenesis experiments revealed a serineactivesite and original structural features, which are compatible with peptidase activity confirmed bybiochemical assays. Ten ClbP homologs were identified in silico in NRPS-encoding genomic islands of closeand distant-related bacterial species. All tested ClbP homologs showed functional promiscuity with ClbP. ClbPis therefore a prototype of a new subfamily of peptidases, which are probably involved for the maturation ofNRP compounds.Furthermore, we undertook two epidemiological studies on the prevalence of pks island in E. coli in twopathophysiology contexts; urosepsis and colorectal cancers. The pks island was significantly associated withurosepsis strains compared to commensal strains, and strains isolated from biopsies of colon tumors comparedwith commensal strains or strains isolated from biopsies of rectal tumors, diverticulosis and ileal lesions ofCrohn disease.

La colibactine est une toxine largement distribuée chez Escherichia coli. Sa synthèse est assurée par des enzymes codés par un îlot génomique appelé pks. Elle provoque des cassures double brin de l'ADN, des mutations, d'important remaniements chromosomiques et favorise l'émergence de tumeurs intestinales en modèle murin. Par ailleurs, les E. coli producteurs colonisent fréquemment les tumeurs de patients atteints de cancer colorectal. Nos travaux montrent que les bactéries productrices de colibactine induisent la sénescence cellulaire et stimulent de façon indirect la prolifération cellulaire in vitro et la croissance tumorale in vivo. L'action pro-proliférative des cellules rendues sénescentes par les E. coli producteurs de colibactine est liée à la production du facteur de croissance HGF. L'étude de la signalisation cellulaire responsable montre l'implication du facteur de transcription c-Myc, l'activation de la transcription d'un microARN qui en ciblent la peptidase SENP1, et une modification de la SUMOylation des protéines de l'hôte, notamment p53, un effecteur connu de la sénescence cellulaire. Cette voie de signalisation et les transcripts codant HGF ont été analysés dans des tumeurs de patients atteints de cancer colorectal colonisés ou non par des E. coli producteurs de colibactine. Les résultats obtenus soutiennent les résultats obtenus in vitro et dans le modèle murin. L'ensemble suggère que les bactéries productrices de colibactine favorisent l'émergence d'un micro-environnement tumoral sénescent susceptible de favoriser la croissance tumorale via la sécrétion de HGF. En parallèle, nous avons caractérisé sur le plan structural et fonctionnel la protéine ClbP de l'îlot pks. Les résultats obtenus montrent que ClbP est une peptidase à serine active dont le site actif est extracytoplasmique et indispensable à l'activité biologique de l'îlot pks. Des inhibiteurs « drug-like » de ClbP ont été identifiés à l'aide d'approches structurales, biochimiques, cellulaires et microbiologiques. Ces molécules se lient au site actif de ClbP avec une affinité nanomolaire et bloquent les activités génotoxiques et pro-tumorales des E. coli producteurs de colibactine. ClbP constitue donc une cible thérapeutique potentielle permettant de bloquer les effets délétères des E. coli producteurs de colibactine. / The colibactin toxin is widely distributed in Escherichia coli. Its synthesis is performed by enzymes encoded by the genomic island pks. It causes DNA double-strand breaks, mutations, chromosomal rearrangements in host cells and contributes to tumorigenesis in a mouse model. In addition, colibactin-producing E. coli are frequently isolated from tumors of patients with colorectal cancer. Our work shows that colibactin-producing bacteria induce cellular senescence and, consequently, can indirectly stimulate cell proliferation in vitro and tumor growth in vivo. The pro-proliferative effect mediated by these senescent cells is due to the secretion of growth factors, in particular HGF. The cell signaling responsible for cellular senescence shows the involvement of the transcription factor c-Myc, the transcription of a microRNA targeting the peptidase SENP1, and a modification of protein SUMOylation, including p53, a well-known effector of cellular senescence. This signaling pathway and HGF-encoding transcripts were analyzed in tumors of patients with colorectal cancer colonized or not by colibactin-producing E. coli. The results support the findings obtained in vitro and in the mouse model. Taken together, the results suggest that, in tumors, colibactin-producing bacteria promote the emergence of a senescent microenvironment, which can stimulate tumor growth via the secretion of HGF. In parallel, we determined the structure and function of the pks-encoded protein ClbP. The results show that ClbP is an active serine peptidase, whose active site is extracytoplasmic and essential to the biological activity of pks island. "Drug-like" inhibitors of ClbP were identified using structural, biochemical, cellular and microbiological approaches. These molecules bind to the active site of ClbP with nanomolar affinity and block the genotoxic and pro-tumoral activities of colibactin-producing E. coli. ClbP is therefore a potential therapeutic target to block the deleterious effects of bacteria-producing colibactin.

L’émergence et la dissémination récentes de clones hypervirulents et multi-résistants de Klebsiella pneumoniae ont renouvelé l'intérêt général envers Klebsiella. Cependant, notre connaissance de la pathogénèse de Klebsiella au niveau moléculaire et cellulaire reste faible. Dans ce travail, nous avons mené deux axes de recherche focalisés sur la pathogénèse de Klebsiella. Le premier projet visait à caractériser un mutant de capsule de K. pneumoniae incapable de produire une toxine colibactine fonctionnelle. La colibactine est un métabolite secondaire génotoxique produit principalement par des souches commensales et extraintestinales pathogènes d’Escherichia coli, mais également par des souches de K. pneumoniae. Elle induit des cassures double brin conduisant à la formation de tumeurs dans des cancers colorectaux et contribue à une virulence accrue de la bactérie. Cependant la structure, les voies de biosynthèse, la sécrétion et le mode d’action de la colibactine restent à définir. Le laboratoire avait préalablement observé qu’un mutant de capsule de K. pneumoniae n’était pas capable de produire une colibactine fonctionnelle, suggérant un rôle de la capsule dans ce processus. Nous avons ensuite démontré qu’en fait la capsule n’est pas impliquée dans la fonction de la colibactine, et que l’incapacité du mutant de la capsule à produire une génotoxicité est due à une mutation avec un fort effet dominant négatif dans la protéine ClbD, une enzyme essentielle de la voie de synthèse de la colibactine. Nous caractérisons actuellement cette mutation pour comprendre comment elle affecte la structure et la fonction de ClbD. Le second projet étudiait le rôle de la capsule dans la pathogénèse de K. rhinoscleromatis. K. rhinoscleromatis est une sous-espèce de K. pneumoniae, responsable du rhinosclérome, une maladie chronique granulomateuse des voies aériennes supérieures spécifiquement humaine, et caractérisée par la formation de macrophages spumeux atypiques appelés cellules de Mikulicz. Or les mécanismes physiopathologiques de cette pathologie sont peu connus. A l’aide d’un modèle murin, nous avons observé qu’un mutant de capsule de K. rhinoscleromatis est atténué in vivo, mais aussi que les cellules de Mikulicz sont recrutées lors d’une infection avec un inoculum élevé du mutant de capsule de K. rhinoscleromatis. Ces données nous indiquent 1) que la capsule est un facteur de virulence de K. rhinoscleromatis qui n’est pas impliqué dans la formation et le recrutement des cellules de Mikulicz, et 2) que des facteurs spécifiques de K. rhinoscleromatis contrôlant la formation de cellules de Mikulicz existent et restent à identifier. Les nouvelles données concernant la pathogénèse de Klebsiella apportées par notre travail représentent une contribution significative dans la connaissance du rhinosclérome et du rôle d’une enzyme impliquée dans la synthèse de la colibactine, tout en ouvrant de nouveaux axes de recherche sur la pathogénèse de K. pneumoniae et K. rhinoscleromatis / The recent emergence and global expansion of hypervirulent and multidrug-resistant clones of K. pneumoniae have increased general interest in Klebsiella. However, knowledge of Klebsiella pathogenesis at the molecular and cellular level is still scant. We pursued two lines of research focused on Klebsiella pathogenesis. The first aimed to characterize a K. pneumoniae capsule mutant unable to produce a functional colibactin. Colibactin is a genotoxic secondary metabolite produced mainly by commensals and extraintestinal pathogenic E. coli strains, but also by some K. pneumoniae strains. It induces double-strand DNA breaks leading to tumor formation in colorectal cancer and contributes to increased virulence. However, its structure, biosynthesis, secretion and mode of action have yet to be fully defined. Previous work from our laboratory showed that a K. pneumoniae capsule mutant was unable to produce a functional colibactin, suggesting a role for capsule in this process. We report herein that capsule does not in fact have a role in the colibactin effect and that the inability of the capsule mutant to induce DNA damage is due to a strong dominant negative mutation in ClbD, an essential enzyme of the colibactin biosynthetic pathway. We are currently characterizing this mutation to understand how it deeply affects ClbD structure and function. The second project explored the role of capsule (CPS) in K. rhinoscleromatis pathogenesis. K. rhinoscleromatis is a K. pneumoniae subspecies responsible for rhinoscleroma, a human specific chronic granulomatous disease of the upper airways characterized by the formation of atypical foamy macrophages called Mikulicz cells. However, little is known about the pathophysiological mechanisms underlying this disease. Using our mouse model, we report that a K. rhinoscleromatis CPS mutant is attenuated in vivo but also that Mikulicz cells are observed upon infection with higher doses of K. rhinoscleromatis CPS mutant. Altogether, our data indicate that 1) CPS is a virulence factor of K. rhinoscleromatis, which is not involved in the specific appearance of Mikulicz cells and that 2) the K. rhinoscleromatis specific factors controlling the appearance of Mikulicz cells remain to be identified. The new insights brought to Klebsiella pathogenicity by this work represent a significant contribution to the understanding of rhinoscleroma pathogenesis and of the role of an enzyme implicated in colibactin biosynthesis. This opens new lines of research on K. pneumoniae and K. rhinoscleromatis pathogenesis

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.

L'îlot génomique pks code une machinerie de biosynthèse complexe synthétisant la colibactine, une génotoxine produite par certaines souches de Escherichia coli. Cette génotoxine induit des cassures double-brin de l'ADN sur les cellules eucaryotes in vitro et in vivo. La colibactine n'est pas une protéine, mais un métabolite secondaire de type polycétide/peptide non-ribosomal (PK/NRP). Des résultats préliminaires de l'équipe semblaient indiquer que certains gènes du core genome de E. coli seraient également impliqués dans la production de la colibactine. L'objectif de cette thèse était d'identifier les gènes non-essentiels de E. coli situés hors de l'îlot génomique pks impliqués dans la synthèse de colibactine, en construisant une banque de mutants par insertion de transposons. Ce criblage a permis d'identifier 29 gènes candidats, mais deux groupes de gènes ont été particulièrement étudiés dans la suite du projet : trois gènes codants des protéines chaperons, et trois gènes codant des enzymes impliquées dans le métabolisme des polyamines. Le premier projet a permis de montrer que la protéine chaperon HtpG (ou Hsp90Ec), homologue bactérien de la protéine de choc thermique eucaryote Hsp90, est requise pour la production de colibactine, mais aussi de yersiniabactine, un sidérophore (ou système bactérien de captation du fer) appartenant à la même famille chimique que la colibactine. De plus, la protéase ClpQ intervient de concert avec Hsp90Ec dans la production de colibactine et de yersiniabactine. Ces résultats confirment ainsi l'interconnexion entre la synthèse des deux facteurs de virulence de E. coli, la colibactine et la yersiniabactine. Enfin, l'analyse des effets de la mutation du gène htpG au cours d'une infection systémique chez l'animal, dans des modèles de sepsis et de méningite néonatale chez les rongeurs, démontre le rôle de la protéine de réponse au stress Hsp90Ec dans la virulence de E. coli. Le second projet a révélé que les polyamines sont impliquées dans la production de colibactine. L'étude du métabolisme des polyamines par une approche de microbiologie moléculaire a démontré que la spermidine est la polyamine nécessaire à la production de colibactine. Les résultats préliminaires de ce projet indiquent que la spermidine participerait à la régulation de l'expression de certains gènes de l'îlot génomique pks, et de fait modulerait la biosynthèse de colibactine. Des études complémentaires sont en cours pour élucider les mécanismes impliqués. Les résultats de cette thèse sont une illustration parfaite de l'intégration symbiotique d'un élément génétique mobile acquis au cours de l'évolution au sein du chromosome bactérien, grâce à plusieurs connexions bilatérales permettant la production de facteurs de virulence par E. coli. / The pks genomic island codes a complex biosynthetic assembly line that synthetizes the colibactin, a genotoxin produced by some strains of Escherichia coli. This genotoxin generates DNA double-strand breaks in eukaryotic cells both in vitro and in vivo. Colibactin is not a protein, but a secondary metabolite belonging to the chemical family of hybrid polyketide/nonribosomal peptide compounds. Preliminary results from our research team suggested that certain genes of the E. coli core genome (i.e. genes present in all strains of the species) could also be involved in the colibactin production. The main goal of this thesis was to identify non-essential E. coli genes located outside the pks island that are required for colibactin biosynthesis, with the screening of a transposon mutant library. This revealed 29 potential candidate genes, but the project focused specifically on two groups of genes: three genes encoding chaperone proteins, and three genes encoding enzymes involved in polyamines metabolism. The first project highlighted the role of the molecular chaperone HtpG (or Hsp90Ec), the bacterial homolog of eukaryotic heat shock protein 90, in the production of colibactin, but also yersiniabactin, a siderophore (i.e. a bacterial iron uptake system) that belongs to the same chemical family as colibactin. Furthermore, the ClpQ protease was involved in colibactin and yersiniabactin production in combination with Hsp90Ec. These results confirmed the interplay between the biosynthesis of two E. coli virulence factors, colibactin and yersiniabactin. Finally, analysis of the effects of htpG disruption during systemic infection in animals, using rodent models of sepsis and neonatal meningitis, demonstrated the role of the stress-responsive molecular chaperone Hsp90Ec in E. coli virulence. The second project revealed the involvement of polyamines in the biosynthesis of colibactin. A molecular microbiology approach demonstrated that spermidine was the polyamine required for colibactin production. Preliminary results suggested that spermidine could regulate the expression of some pks island genes, and therefore could modulate colibactin production. Further experiments are in progress to elucidate the molecular mechanisms involved in this regulation. Together, the results of this thesis perfectly illustrate the symbiotic integration of a mobile genetic element acquired during evolution into the bacterial chromosome, through several crosstalks allowing the production of virulence factors in E. coli.

La muqueuse des patients atteints de cancer colorectal (CCR) est anormalement colonisée par des souches d’Escherichia coli porteuses de l’îlot pathogène pks (E. coli/pks+), responsable de la synthèse de la génotoxine colibactine. Les E. coli/pks+ induisent des cassures double brin de l’ADN, l’accumulation d’aberrations chromosomiques ainsi que la sénescence, et favorisent le développement tumoral dans des modèles murins de CCR. L’autophagie est un processus des cellules eucaryotes qui permet la dégradation d’éléments cytoplasmiques par les lysosomes et est activé pour permettre l’adaptation des cellules en réponse à un stress. Un dysfonctionnement de l’autophagie est associé à plusieurs pathologies humaines, notamment les cancers. L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier le rôle de l’autophagie dans la défense de l’hôte suite à l’infection par les E. coli/pks+. Nous avons montré une augmentation de l’expression des gènes de l’autophagie dans la muqueuse colique des patients atteints de CCR colonisée par des E. coli/pks+ comparativement à celle colonisée par des E. coli ne portant pas l’îlot pks. L’infection des cellules épithéliales intestinales humaines HCT-116 par des souches d’E. coli isolées de patients atteints de CCR entraîne l’activation de l’autophagie de façon dépendante de la présence de l’îlot pks. Les cellules déficientes pour l’autophagie présentent une augmentation des dommages à l’ADN induits par les E. coli/pks+, associée à un défaut de recrutement au niveau du noyau de la protéine de réparation des dommages à l’ADN, RAD51, ainsi qu’une augmentation de la sénescence et de la prolifération cellulaire induites par ces souches. Dans un modèle murin de CCR, le modèle de souris Apc Min/+ , déficient pour le gène de l’autophagie Atg16l1 spécifiquement dans les cellules épithéliales intestinales, nous avons montré un rôle complexe de l’autophagie dans la carcinogenèse colorectale. En effet, en condition non infectée, chez les souris Apc Min/+ , l’autophagie joue un rôle pro-tumoral. Cependant, suite à l’infection par la souche d’E. coli/pks+, 11G5, les souris déficientes pour l’autophagie présentent une augmentation de la tumorigénèse, accompagnée par une augmentation des dommages à l’ADN, de la prolifération cellulaire et de l’inflammation. Ces résultats suggèrent que l’autophagie est nécessaire pour inhiber les effets pro-tumoraux des souches d’E. coli/pks+ et ainsi limiter la carcinogenèse colorectale induite par ces dernières. De nombreuses perspectives d’études sur les mécanismes sous-jacents impliqués dans la progression tumorale induite par les souches d’E. coli/pks+ feront suite à ce projet. Notamment, l’impact du microenvironnement immunitaire et du microbiote sur la carcinogenèse colorectale seront analysés. Plus largement, cette étude permettra de mieux comprendre le rôle de l’autophagie dans la défense de l’hôte pour lutter contre les E. coli associés au CCR. À plus long terme, ce travail pourrait également contribuer au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la modulation de l’autophagie chez les patients présentant une colonisation par les souches d’E. coli/pks+. / Several studies have shown a role of intestinal microbiota in CRC etiology, which is the third cause of death by cancer in the world. Especially, colonic mucosa of CRC patient is abnormally colonized with E. coli strains which often carry the pathogenic pks island, leading to the synthesis of a genotoxin called by colibactin. Colibactin-producing E. coli strains induce DNA double strand breaks, chromosomic aberration and senescence in host cells enhancing the cellular proliferation and tumorigenesis in mouse models of CRC. The aim of this study is to investigate the role of autophagy, a key process in cellular homeostasis, in host defense against infection by pks-harboring E. coli (E. coli/pks+). We showed the increased expression of different autophagy-related genes in the mucosa of CRC patients colonized with E. coli/pks+ compared to that of patients colonized with E. coli without the pks island. In vitro and in vivo, we showed that autophagy is activated in intestinal epithelial cells upon infection in order to limit the pro-tumoral effects of E. coli/pks+. In a murine model of CRC, the ApcMin/+ mouse model, deficient for the Atg16l1 autophagy gene specifically in intestinal epithelial cells, we have shown a complex role of autophagy in colorectal carcinogenesis. Indeed, in uninfected conditions, autophagy plays a pro-tumoral role. However, following infection with the E. coli/pks+ 11G5 strain, mice deficient for autophagy exhibit increased tumorigenesis, accompanied by increased DNA damage, cell proliferation, and inflammation. These results suggest that autophagy is necessary to inhibit the pro-tumoral effects of E. coli/pks+ strains and thus limit the colorectal carcinogenesis induced by the latter. Future works using mouse models of CRC are required to study the role of autophagy in colonic tumorigenesis suppression following infection with E. coli/pks+. Different mechanism such as inhibition of cellular proliferation and immune response, modification of the composition of the gut microbiota will be analyzed. Together, those results will highlight the role of autophagy as a host defense mechanism against the pro-tumoral effects of pks-harboring E. coli strains. This work could also open the door to new therapeutic options in the treatment of CRC and therefore have a great impact on public health.

En 2022, le cancer colorectal (CCR) est le deuxième cancer le plus meurtrier au Canada et le troisième dans le monde. Plusieurs facteurs dont l’alimentation, le manque d'activité physique et la génétique, ont été identifiés comme contribuant au développement du CCR. Le microbiote intestinal, une communauté de micro-organismes vivant dans l'intestin de l'hôte, est également associé au développement du CCR, comme particulièrement Escherichia coli productrice de colibactine. Cette génotoxine induit des réticulations inter brin et cassures double brin (DSBs) de l’ADN dans les cellules de mammifères, entraînant des mutations et un risque élevé de développement du CCR. Nous avons pour objectif de contrôler la prolifération et la production de colibactin de la bactérie pks+ E. coli. Nous avons évalué la prévalence des bactéries pks+ et des bactéries bft+ chez des patients atteints de CCR et individus sains de la province de Québec (Canada), en utilisant une cohorte de 156 participants. Nous avons constaté qu'une grande proportion d’individus sains sont colonisés par des bactéries pks+ (42%) et à des niveaux similaires à ceux des patients atteints de CCR (46%). En ce qui concerne la bactérie entérotoxigénique Bacteroides fragilis (ETBF), le gène bft a été détecté chez 21% des contrôles sains et 32% des patients atteints de CCR, et 8% des contrôles sains et 13% des patients atteints de CRC étaient colonisés à la fois par des bactéries pks+ et par ETBF. Comme ces individus sains sont plus susceptibles de développer un CCR, il est vital de fournir des traitements nutritionnels et médicinaux personnalisés pour contrôler la croissance de ces bactéries. Nous avons ensuite étudié l'effet de la supplémentation en prébiotiques sur la génotoxicité des souches de E. coli productrice de colibactine dans un modèle cellulaire. L'inuline et les galacto-oligosaccharides ont augmenté l'expression du gène de la colibactine A chez E. coli pks+, ce qui a été aboli par l'addition de 125 µM de sulfate de fer. La souche de E. coli NC101 (EcNC101) a augmenté les dysplasies et DSBs dans les cellules d'adénocarcinome humain Caco-2, en présence de l'un ou l'autre des oligosaccharides. 6 Nos résultats indiquent que les oligosaccharides aggravent les dommages à l'ADN causés par les bactéries productrices de colibactine. Étant donné la popularité croissante de la supplémentation en prébiotiques et leur facilité d'accès, d'autres études sont nécessaires pour déterminer comment ces prébiotiques peuvent réguler le développement et la progression des tumeurs dans des modèles animaux et chez les humains en présence d'une colonisation par E. coli pks+. Nous avons constaté précédemment que l'inuline avait à la fois des effets protecteurs et des effets promoteurs de tumeurs dans le CCR, et ces divergences peuvent être attribuées à la présence de E. coli pks+. En utilisant le modèle de souris ApcMin/+ de CCR, nous avons cherché à savoir si les bactéries E. coli productrice de colibactine modifiaient la protection conférée par l'inuline contre le développement et la progression des tumeurs. La supplémentation en inuline a conduit à une augmentation de la colonisation par EcNC101, ce qui a entraîné une élévation des DSBs, de la charge tumorale et de la progression tumorale chez les souris ApcMin/+, de manière dépendante à la colibactine. E. coli Nissle 1917 pasteurisé a inhibé la croissance tumorale en inhibant la prolifération de EcNC101 induite par l'inuline. Nos résultats soulignent la nécessité de dépister les bactéries pks+ chez les patients et de leur fournir des conseils nutritionnels préventifs. En résumé, nous avons rapporté que les pré-biotiques, pro-biotiques et post-biotiques peuvent influencer la croissance de E. coli pks+ et/ou la sécrétion de colibactine. Par conséquent, la pertinence de ce projet serait de fournir une thérapie nutritionnelle personnalisée basée sur ces résultats pour les individus colonisés par ces bactéries, qui sont plus enclins à développer un cancer colorectal. / In 2022, colorectal cancer (CRC) was the second deadliest cancer in Canada and the third globally. Factors such as diet, lack of physical activity, and genetics have been identified as contributors to CRC development. The intestinal microbiota, a community of microorganisms living in the host intestine, has been associated with CRC development, particularly the colibactin-producing Escherichia coli. The genotoxin colibactin induces interstrand cross-links (ICLs) double-strand DNA breaks (DSBs) in mammalian cells, resulting in mutations and an elevated risk of CRC development. Therefore, these studies aimed to control the proliferation and production of colibactin of pks+ E. coli. Using a case-control study of 156 participants, we evaluated the prevalence of pks+ bacteria and bft+ bacteria in patients with CRC and healthy controls from the province of Québec (Canada). We found that similar to patients with CRC (46%), a large proportion of healthy controls were colonized by pks+ bacteria (42%). Regarding enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF), the bft gene was observed in 21% of healthy controls and 32% of patients with CRC, with 8% of healthy controls and 13% of patients with CRC colonized by both pks+ bacteria and ETBF. Providing personalized dietary and medicinal treatments to control the growth of these bacteria is necessary because these healthy individuals are more likely to develop CRC. The effect of prebiotic supplementation on the genotoxicity of colibactin-producing E. coli strains was investigated in a cellular model. Inulin and galactooligosaccharide increased the expression of the colibactin A gene in pks+ E. coli, which was abrogated by the addition of 125 µM of iron sulfate. E. coli strain NC101 (EcNC101) increased dysplasia and DSBs breaks in human adenocarcinoma Caco-2 cells, in the presence of both inulin and galactooligosaccharide. Our findings indicate that oligosaccharides aggravate DNA damage caused by colibactin-producing bacteria. 4 Given the increasing popularity and accessibility of prebiotic supplementation, more studies are required to determine how these prebiotics may regulate tumor development and progression in animal models and humans in the presence of pks+ E. coli colonization. Inulin has protective and tumor-promoting effects on CRC; these discrepancies may be attributed to the presence of pks+ E. coli. Using the ApcMin/+ mouse model of CRC, we explored whether colibactin-producing E. coli altered the protection conferred by inulin against tumor development and progression. Inulin supplementation increased EcNC101 colonization, resulting in more DSBs, tumor burden, and tumor progression in ApcMin/+ mice, in a colibactin dependant manner. Pasteurized E. coli Nissle 1917 inhibited tumor growth by reversing inulin-driven EcNC101 proliferation. Our findings emphasized the need to screen patients for pks+ bacteria and provide them with preventive dietary counseling. In summary, we reported that prebiotics, probiotics, and postbiotics could influence pks+ E. coli growth, colibactin secretion, or both. Therefore, the significance of this project lies in providing personalized nutritional-based therapy based on the findings for individuals colonized by these bacteria, who are more prone to develop CRC.

L’implication du microbiote intestinal dans le développement du cancer colorectal (CCR) et dans la réponse aux traitements anti-cancéreux est de plus en plus évidente. Plusieurs études indépendantes ont montré que la muqueuse intestinale de patients atteints de CCR est anormalement colonisée par des souches d’Escherichia coli pouvant présenter des propriétés invasives et ayant acquis des facteurs de virulence. Plus de la moitié de ces souches sont porteuses de l’îlot pks responsable de la synthèse d’une génotoxine : la colibactine, qui peut interférer directement avec l’ADN ou avec le cycle cellulaire des cellules de l’hôte, et générer des mutations. Plusieurs études indépendantes sur différents modèles animaux de CCR ou sur lignées cellulaires ont décrit d’autres mécanismes d’action de ces bactéries qui pourraient jouer un rôle dans la carcinogenèse colique : interactions avec le système immunitaire et l’inflammation et induction de la sénescence cellulaire qui s’accompagne de la libération de facteurs de croissance ayant un effet pro-tumoral sur les cellules épithéliales. Cependant, faute de lien entre ces études physiopathologiques parcellaires, l’étude de l’association des bactéries E. coli avec le CCR doit être poursuivie. Le but de ces travaux de thèse était de préciser l’effet d’une infection chronique par E. coli colibactine-positive, notamment sur le micro-environnement immunitaire colique et son implication sur la carcinogenèse colique, et sur l’efficacité anti-tumorale d’une stratégie d’immunothérapie ciblant le checkpoint immunologique PD-1. Afin d’étudier les interactions microbiote-système immunitaire-hôte, nous avons choisi de travailler sur le modèle APCMin/+, modèle murin de référence du CCR. Dans un premier temps, nous avons développé et validé une nouvelle méthode pour quantifier les cellules immunitaires dans le côlon de ce modèle. Cette méthode, basée sur des marquages immunofluorescents et une analyse numérique d’image dotée d’un apprentissage automatique (dit « machine learning »), nous a permis de distinguer, quantifier et localiser ces cellules dans trois compartiments d’intérêt d’une section colique entière : la muqueuse, les follicules lymphoïdes et les tumeurs. Après validation, cette méthode d’imagerie nous a permis d’obtenir une analyse précise de l’environnement immunitaire colique dans le modèle de souris APCMin/+ chroniquement infectées par une souche E. coli colibactine positive isolée d’une muqueuse de patients CCR. Nous avons montré in vivo que cette bactérie induit un environnement pro-carcinogène dépendant de la présence de la colibactine, avec une augmentation de populations pro-inflammatoires telles que les neutrophiles et d’enzyme pro-inflammatoire (myéloperoxydase), accompagnée de la diminution de cytokines antiinflammatoires. Ce contexte procarcinogène est renforcé par la diminution des Lymphocytes T (LT) anti-tumoraux dans la muqueuse et la tumeur. Cet effet a également été observé chez les patients atteints de CCR porteurs de souches E. coli colibactine-positives avec une baisse de la population des LT CD3+. Enfin, nous avons démontré qu’une infection par E. coli colibactine-positives induit une résistance à une immunothérapie anti-tumorale ciblant le checkpoint immunologique PD-1. Ces résultats suggèrent que la diminution des LT induite par l’infection chronique du tube digestif par des E. coli colibactine-positives pourrait être liée à cette résistance au traitement. Ainsi, les travaux effectués lors de cette thèse permettent de confirmer le rôle clé de certaines bactéries du microbiote intestinal et du dialogue complexe de celui-ci avec le système immunitaire, dans la carcinogenèse colique et la réponse aux traitements anti-cancéreux. (...) / Multiple evidences show the role of microbiota in colorectal cancer (CRC) development and anti-tumor drug responses. Various independent studies demonstrated that Escherichia coli strains with specific invasive properties and virulence factors abnormally colonize CRC patient mucosa. More than half of these strains harboring the pks pathogenic island coding for the synthesis of a genotoxin named colibactin. This genotoxin can impair directly DNA synthesis or cellular cycle and provokes genomic instability. Many different studies highlighted others bacteria-associated mechanisms leading to colorectal carcinogenesis as crosstalk between immune responses, inflammatory events, and/or cell senescence induction. However, the mechanisms by which CRC-associated E. coli promote colorectal carcinogenesis are diverse and some-what specific to the animal models and the microbial status of the animals (germ-free or Specific Pathogen Free). However, modulation of immune response and inflammation seems to play a central role in these mechanisms.The aim of this work was to evaluate the impact of chronic infection by colibactin-positive E. coli in a CRC reference model, the APCMin/+ mice colon focusing on inflammation and immune cells. First, we developed and validated an innovative method to quantify immune cells in APCMin/+ mice, based on immunostainings and digital image analysis. Thanks to the machine learning approach, we succeeded to precisely discriminate, quantify and localize these cells in three regions of interest: mucosa, lymphoid follicle and tumor. After the complete validation of this new method, we accurately examined the impact of a chronic infection with a colibactin-positive E. coli strain isolated from a CRC patient, on the APCMin/+ colon immune microenvironment. Particularly, we demonstrated the induction of a pro-carcinogenic environment by these bacteria in vivo, in a colibactin dependent manner, with both an increase of the pro-inflammatory neutrophil enzyme (myeloperoxydase) and cells, and a decrease of anti-inflammatory cytokines. This carcinogenesis-associated context is emphasized by the decrease of anti-tumor T cells in colon mucosa and tumor. This phenomenon is equally observed in CRC patients, with a decrease of T cells in patient tumors, which are harboring the colibactin-positive E. coli. Finally, we demonstrated for the first time that colibactin-positive E. coli infection induce resistance to an anti-tumor immunotherapy treatment based on PD-1 immune checkpoint blockade. Our results suggest that the decrease of T cells induce by colibactin-positive E. coli chronic infection could lead to the impairment of an immunotherapy response. To conclude, this thesis work confirms the crosstalk between some specific bacteria from intestine microbiota and the immune system in carcinogenesis and anti-tumor drug efficacy. In longer term, these results suggest that the colibactin-positive E. coli presence could be used as a poor prognosis biomarker in CRC and particularly to predict response to anti-PD-1 immunotherapy.