Clostridium difficile est une bactérie enteropathogène responsable d'infections intestinales dont les manifestations cliniques varient d’une simple diarrhée à une colite pseudomembraneuse parfois mortelle. L’une des problématiques majeures rencontrées dans la prise en charge des infections à C. difficile (ICD) est la survenue de récidives. Chez de nombreuses espèces bactériennes, la formation de biofilm est associée à la chronicité de l’infection. Le biofilm est un mode de vie dans lequel les bactéries sont engluées dans une substance polymérique qu'elles secrètent elles-mêmes. L’aptitude de C. difficile à former un biofilm in vitro a été clairement établie depuis 2012. Cependant aucune étude n’a montré jusqu’ici s’il est capable de former un biofilm in vivo. L’objectif de cette thèse était d’une part d’étudier différents paramètres impliqués dans la formation du biofilm in vitro et d’autre part de déterminer si C. difficile est capable de former un biofilm in vivo. Dans un premier temps, nous avons analysé la capacité de différentes souches de C. difficile (souches cliniques et souches de laboratoires modifiées génétiquement) à former un biofilm in vitro. Parmi ces dernières, la souche mutée pour le gène cwp84, codant une protéase de surface responsable de la maturation de la couche S de C. difficile, présente un biofilm particulièrement robuste et épais comparé à la souche parentale 630∆erm. L’activité protéolytique de Cwp84 est donc impliquée dans la formation du biofilm et module certaines propriétés de surface de la bactérie telles que l’hydrophobicité. Nous avons également étudié la composition en sucre de la matrice du biofilm, après une étape de mise au point qui a permis de déterminer les conditions permettant d’obtenir suffisamment de matériel. Les conditions retenues ont été les suivantes : formation de biofilm sur un support en verre, en présence de glucose et en milieu renouvelé. La présence d’un sucre qui possède un profil proche du PSII (polysaccharide associé à la surface des cellules planctoniques de C. difficile) dans la matrice du biofilm a été détecté par spectroscopie infrarouge. Dans un second temps, afin d’étudier l’aptitude de C. difficile à former un biofilm in vivo, différents modèles animaux ont été utilisés : un modèle de souris monoxéniques dans lequel plusieurs souches de C. difficile ont été testées (souches 630∆erm, mutant cwp84, R20291, P30) et un modèle de souris dixénique pour étudier la formation de biofilm mixte (C. difficile/Finegoldia magna et C. difficile/Clostridium scindens). Dans le modèle monoxénique, quelles que soient les souches testées, C. difficile est distribué de manière hétérogène tout au long de la surface du tissu intestinal. Les bactéries sont majoritairement retrouvées isolées sauf pour la souche R20291 qui forme le plus souvent des petits agrégats. Pour cette souche, différents marquages immunohistochimiques réalisés sur des coupes de cecum et de colon ont montré que la majorité des bactéries sont enchâssées dans de petites structures en 3 dimensions adhérentes à la couche du mucus. Le polysaccharide PSII est détecté en grande quantité à l'intérieur de cette structure. Ce composé étant présent dans la matrice de biofilm de C. difficile formé in vitro, ces résultats suggèrent que la souche R20291 pourrait s’organiser en biofilm dans le modèle de souris monoxénique. En modèle de souris dixéniques, nous avons montré que la présence de F. magna n’influe pas sur le niveau de colonisation de C. difficile, alors que l'association avec C. scindens semble être bénéfique aux deux bactéries puisqu'une augmentation de la population globale de deux espèces est observée comparé à la population présente dans chaque modèle mono-espèce. En conclusion, une souche productrice de biofilm in vitro semble être capable de s’organiser en une structure biofilm in vivo. Le rôle du biofilm dans l'étape de colonisation du colon par C. difficile et les rechutes des ICD devra être analysé. / Clostridium difficile is an enteropathogenic bacterium responsible for intestinal infections, the clinical symptoms vary from moderate diarrhea to pseudomembranous colitis, sometimes fatal. One of the major problems encountered in the management of C. difficile infections (DCI) is the occurrence of recurrences. In many bacterial species, biofilm formation is associated with the chronicity of infection. Biofilm is a way of life in which bacteria are entrapped in a polymeric substance secreted by the bacteria themselves. The ability of C. difficile to form an in vitro biofilm has been clearly established since 2012. However, no study has so far shown whether it is capable of forming a biofilm in vivo. The objective of this thesis was to analyze different parameters involved in the formation of biofilm in vitro and to determine whether C. difficile is able to form a biofilm in vivo.We first analyzed the ability of different strains of C. difficile to form a biofilm in vitro (clinical strains and strains genetically modified laboratories). Among the latter, the mutant strain for the cwp84 gene, encoding a surface-associated protease responsible for the maturation of the S layer of C. difficile, forms a particularly robust and thick biofilm compared to the 630Δerm parental strain. The proteolytic activity of Cwp84 is involved in the formation of biofilm and modulates certain surface properties of the bacterium such as hydrophobicity. We have also studied the polysaccharide composition of the biofilm matrix, after a development stage that allowed us to determine the optimal conditions for obtaining sufficient material. The conditions retained were the following: formation of biofilm on a glass support in the presence of glucose and in a renewed medium. We were able to determine by infrared spectroscopy the presence of a sugar which has a similar profile than the PSII (polysaccharide associated with the surface of C. difficile planktonic cells) in the matrix of the biofilm.Second, in order to study the ability of C. difficile to form a biofilm in vivo, different animal models were used: a monoxenic mouse model in which we tested several strains of C. difficile (strains 630Δerm, mutant cwp84, R20291, P30) and a dixenic mouse model to study the formation of mixed biofilm (C .difficile/Finegoldia magna and C. difficile/Clostridium scindens). In the monoxenic model, regardless of the strains tested, C. difficile is distributed heterogeneously throughout the intestinal tissue surface. The bacteria are mostly found isolated except for C. difficile R20291 which usually forms small aggregates. For this strain we have shown, thanks to various immunohistochemical labeling performed on cecum and colon sections, that the majority of the bacteria are embedded in a small 3-dimensional structures overlaying the mucus layer. The PSII polysaccharide is present in a large amount in this structure. As this compound has been detected in the in vitro C. difficile biofilm matrix, these results suggest strongly that the R20291 strain could be organized into biofilm structures in the monoxenic mouse model. In the dixenic mouse model, we have shown that the presence of F. magna does not influence the level of colonization of C. difficile, whereas the association with C. scindens seems to be beneficial to both bacteria since an increase of the global population is observed in this model compared to the population present in each single-species model.To conclude, an in vitro biofilm producing strain appears to be able to organize in a biofilm structure in vivo. The role of biofilm in the colonization step of the intestinal tract by C. difficile and in the occurrence of recurrences should be further analyzed.

Clostridium difficile est une bactérie pathogène responsable de diarrhées nosocomiales et de la plupart des colites pseudomembraneuses. Le principal facteur de risque est la prise d’antibiotiques qui altère la composition du microbiote intestinal, et favorise ainsi l’implantation de la bactérie au niveau colique. Après une étape de colonisation, la bactérie produit ses principaux facteurs de virulence, les toxines A et B. La colonisation est un processus multifactoriel, qui met en jeu différentes protéines de surface dont des adhésines et une cystéine protéase Cwp84.Dans une première partie, nous avons analysé le processus de maturation de la protéase Cwp84, ainsi que sa localisation dans la bactérie, afin de mieux comprendre son rôle dans la virulence de C. difficile. La protéase recombinante, purifiée sous forme de zymogène, présente un processus de maturation particulier comprenant des clivages successifs, qui aboutissent à la forme mature de 47 KDa. La protéase ainsi activée présente une activité protéolytique sur la fibronectine. Dans la bactérie, Cwp84 existe sous deux formes majoritaires, associées à la surface de la bactérie : une première forme, d’environ 80 KDa, associée aux protéines de la couche S, dont le rôle serait de cliver le précurseur des protéines de la couche S en deux protéines matures ; une deuxième forme, d’environ 50 KDa correspondant vraisemblablement à la forme mature de la protéase recombinante de 47 KDa, est retrouvée à la fois dans la fraction extracellulaire et associée à la surface de la bactérie. Nous avons montré que la protéase rélarguée est capable de se ré-associer sous sa forme mature de manière spécifique à la surface de C. difficile. Dans une deuxième partie, nous avons analysé l’impact de conditions environnementales mimant celles rencontrées par la bactérie au cours de son transit dans le tractus digestif de l’hôte, sur la modulation de facteurs de colonisation, dont la protéase. Nous avons montré qu’un pH acide favorise à la fois l’expression et le processus de maturation de la protéase vers sa forme mature de 47 KDa. Des analyses protéomiques et transcriptomiques ont montré que d’autres protéines impliquées dans colonisation sont surexprimées dans un milieu avec glucose, cette régulation étant vraisemblablement liée à la diminution du pH résultant de la fermentation du glucose plutôt qu’à un effet direct de ce sucre. Cette régulation des facteurs de virulence par le pH acide est probablement un élément favorable au processus de colonisation de l’hôte. Ces différentes analyses ont également permis l’identification de facteurs de virulence potentiels, qui devront être caractérisés par la suite. / Clostridium difficile, a gram-positive spore-forming, anaerobic bacterium, is the etiological agent of pseudomembranous colitis and of many cases of nosocomial diarrhea. The main risk factor is the use of antibiotics that alters the intestinal microbiota, predisposing to C. difficile intestinal colonization. C. difficile pathogenicity is mediated mainly by its A and B toxins, secreted after host colonization that involves various surface proteins, including different adhesins and proteolytic enzymes as the cysteine protease Cwp84.We sought to analyze the localization and the maturation process of the proteaseCwp84. We showed that the recombinant protein Cwp8430-803, purified as zymogen form, presents a particular maturation process including consecutive cleavages, leading to the mature form of 47 kDa. This protease has a proteolytic activity against the fibronectin. Two identifiable forms of the protease were found to be associated in the bacteria: a form of about 80 kDa and a cleaved one of 47 kDa, identified as the mature protease. They were found mainly in the bacterial cell surface fractions, and weakly in the extracellular fraction. The 80 kDa protein was non covalently associated to the S-layer proteins, while the 47 kDa form was found to be tightly associated with the underlying cell wall. Our data supported that the anchoring of the Cwp84 47 kDa form is presumably due to a re-association of the secreted protein.We also studied the regulation of virulence factors depending of environmental conditions that mimic those encountered by the bacterium in the digestive tract. We showed that an acidic pH affects the expression and the proteolytic process of Cwp84. The mature form was only recovered with an acidic pH. Proteomic and transcriptomic analysis of some surface proteins involved in colonization revealed that their expression was increased in media containing glucose. However, this regulation is probably related to the decrease in pH resulting from fermentation of glucose, rather than a direct effect of glucose. The acidic pH could lead in vivo to modulation of virulence factors expression and is probably a favorable feature in the colonisation process. We also identified new surface associated-proteins, that could represent potential virulence factors; they will be characterized later.

Clostridium difficile est responsable de vingt-cinq pour cent des diarrhées post-antibiotiques et de la majorité des cas de colite pseudomembraneuse. C'est un bacille anaérobie à Gram positif sporulant. La bactérie est recouverte par un réseau cristallin bidimensionnel appelé couche S. Elle est formée par deux sous-unités de haut et bas poids moléculaire issues du clivage du précurseur SlpA par la protéase Cwp84. Ces deux protéines sont codées par des gènes situés dans le locus cwp et sont sécrétées par le système de sécrétion de type SecA2. Elles sont impliquées dans l'adhésion/colonisation du côlon par C. difficile. L'adhésion est une étape commune avec la formation du biofilm par les bactéries. Le biofilm est une communauté bactérienne enchâssée et protégée par une matrice extracellulaire produite par les membres de la communauté. C'est le mode de vie principal des bactéries. Nous avons caractérisé la voie de sécrétion de type SecA2 de C. difficile. La protéine SecA2 (codée également par un gène du locus cwp) est essentielle pour la survie de C. difficile. Elle a une double localisation : le cytoplasme et la membrane intracellulaire. SecA2 de B. anthracis est capable de dimériser avec les protéines SecA1 et SecA2 de C. difficile. De plus, la complémentation du mutant secA2 de B. anthracis par le gène secA2 de C. difficile est fonctionnelle. Le rôle de la couche S, de la protéase Cwp84 et de la mobilité dans le biofilm de C. difficile ont été également étudiés. La souche 630∆erm forme un biofilm fin et fragile tandis que le mutant 630∆ermcwp84::erm forme un biofilm épais et robuste. Nous avons montré que l'activité protéolytique de Cwp84 était impliquée dans la formation du biofilm. De plus, une inhibition de la traduction de l'ARN slpA avec un ARN antisens spécifique permet une augmentation de la taille du biofilm formé par la souche 630∆erm. Similairement, l'expression de l’allèle secA2 muté dominant qui bloque au moins partiellement la voie de sécrétion de type SecA2 augmente la taille du biofilm. Nos résultats suggèrent que la couche S, la protéase Cwp84 et la protéine SecA2 sont impliquées dans la formation du biofilm de C. difficile. Par ailleurs nous avons testé un panel de souches dans leur capacité à former un biofilm. Les résultats montrent que les souches non mobiles ne seraient pas capables de former un biofilm épais. Enfin, nous avons étudié la capacité de C. difficile à se développer en aérobiose au sein d’un biofilm mixte avec Bacillus cereus. Nous avons mis en évidence un recrutement et une multiplication de C. difficile dans la pellicule formée à l'interface air/liquide par B. cereus. Un rapport optimal des spores des deux espèces est requis pour le développement de C. difficile dans ces conditions. La présence de spores de C. difficile dans la pellicule suggère que les biofilms de l'environnement pourraient être des réservoirs de spores de C. difficile, et à l'origine de contaminations humaine et animale. / Clostridium difficile is responsible for twenty-five percent of post-antibiotics diarrhea and for most cases of pseudomembranous colitis. It is an anaerobic, sporulating, Gram-positive bacillus. The bacterium is covered by a two-dimensional lattice called S-layer. It is formed by two subunits of high and low molecular weight after the cleavage of the SlpA precursor by the Cwp84 protease. These two proteins are encoded by genes located in the locus cwp and are secreted by the SecA2 secretion system. They are involved in colonic adhesion/colonization by C. difficile. Adhesion is a common step with biofilm formation by bacteria. The Biofilm is a microbial community embedded in and protected by an extracellular matrix produced by the community members. The biofilm is the main bacterial way of life.We have characterized the SecA2 secretory pathway of C. difficile. The SecA2 protein (as encoded by a gene locus cwp) is essential for the survival of C. difficile. It has a dual location: cytoplasm and intracellular membrane. SecA2 of B. anthracis is able to dimerize with SecA1 and SecA2 proteins of C. difficile. Moreover, the complementation of B. anthracis secA2 mutant with secA2 gene of C. difficile is functional.The role of the S-layer, of the Cwp84 protease and of the motility in the biofilm of C. difficile have also been studied. The 630∆erm strain forms a thin and weak biofilm while the 630∆ermcwp84::erm mutant forms a thick and robust biofilm. We have shown that proteolytic activity of Cwp84 was involved in biofilm formation. Furthermore, a decrease in the translation of slpA RNA with an antisense RNA specific permits an increase in the size of the biofilm of the strain 630∆erm strain. Similarly, the expression of the dominant mutated secA2 allele, which at least partially blocks the SecA2 secretory pathway, increases the biofilm size. Our results suggest that the S-layer, the Cwp84 protease and the SecA2 protein are involved in biofilm formation of C. difficile. On the other hand, we have tested a panel of strains in their capacity to form a biofilm. The results show that non-motile strains are unable to form a thick biofilm.Finally, we have studied the ability of C. difficile to grow aerobically in a mixed biofilm with B. cereus. We highlighted a recruitment and proliferation of C. difficile in the film formed at the air/liquid interface with B. cereus. An optimal ratio of spores of both species is required for the development of C. difficile in these conditions. The presence of C. difficile spores in the film suggests that the environment biofilms could be reservoirs of spores of C. difficile, and the source of human and animal contamination.

Clostridium difficile is a major problem as the aetiological agent of antibiotic associated diarrhoea. The mechanism by which the bacterium colonises the gut is poorly understood, but undoubtedly involves a myriad of components present on the bacterial surface. The aims of this study were to further define roles for selected surface proteins using a knockout approach, to evaluate the feasibility of surface protein based immunotherapeutics and to obtain structural information using X-ray crystallography. Mutants of cell wall-binding domain (PFam04122) containing proteins CD1036, CD2735, CD2784, Cwp66, CD2791, Cwp84, CD2795 and the flagella cap (FliD) were created. Mutants were characterised with regard to growth, sporulation, toxin production, adhesion in vitro, and, for the Cwp84 mutant, using the in vivo hamster model. The surface-located cysteine protease, Cwp84, was found to play a key role in maturation of the C. difficile S-layer, yet the Cwp84 mutant still caused disease with a similar pathology to the wildtype. Culture supernatant levels of toxin A were increased in CD2735, Cwp66, CD2791, CD2795 and particularly in Cwp84 and FliD 24 hr cultures, while CD2735, Cwp66, CD2791, CD2795 mutants also showed reduced adherence to Caco-2 cells compared to the wild-type. Passively administered immunotherapy, generated to low pH surface protein extracts of the C. difficile R20291 strain, did not protect hamsters from challenge with the cognate strain. Structural studies were undertaken on the surface proteins CD2791, Cwp66 and CD2767. Crystallisation conditions were identified for a recombinant N-terminal domain of CD2767 and an X-ray data set collected to 2 Å, although the structure was not solved by molecular replacement. Together these results further our knowledge of C. difficile surface proteins, although further work is required to identify which surface proteins play key roles in vivo during infection.

Clostridium difficile est une bactérie pathogène responsable de diarrhées nosocomiales et de la plupart des colites pseudomembraneuses. Le principal facteur de risque est la prise d'antibiotiques qui altère la composition du microbiote intestinal, et favorise ainsi l'implantation de la bactérie au niveau colique. Après une étape de colonisation, la bactérie produit ses principaux facteurs de virulence, les toxines A et B. La colonisation est un processus multifactoriel, qui met en jeu différentes protéines de surface dont des adhésines et une cystéine protéase Cwp84.Dans une première partie, nous avons analysé le processus de maturation de la protéase Cwp84, ainsi que sa localisation dans la bactérie, afin de mieux comprendre son rôle dans la virulence de C. difficile. La protéase recombinante, purifiée sous forme de zymogène, présente un processus de maturation particulier comprenant des clivages successifs, qui aboutissent à la forme mature de 47 KDa. La protéase ainsi activée présente une activité protéolytique sur la fibronectine. Dans la bactérie, Cwp84 existe sous deux formes majoritaires, associées à la surface de la bactérie : une première forme, d'environ 80 KDa, associée aux protéines de la couche S, dont le rôle serait de cliver le précurseur des protéines de la couche S en deux protéines matures ; une deuxième forme, d'environ 50 KDa correspondant vraisemblablement à la forme mature de la protéase recombinante de 47 KDa, est retrouvée à la fois dans la fraction extracellulaire et associée à la surface de la bactérie. Nous avons montré que la protéase rélarguée est capable de se ré-associer sous sa forme mature de manière spécifique à la surface de C. difficile. Dans une deuxième partie, nous avons analysé l'impact de conditions environnementales mimant celles rencontrées par la bactérie au cours de son transit dans le tractus digestif de l'hôte, sur la modulation de facteurs de colonisation, dont la protéase. Nous avons montré qu'un pH acide favorise à la fois l'expression et le processus de maturation de la protéase vers sa forme mature de 47 KDa. Des analyses protéomiques et transcriptomiques ont montré que d'autres protéines impliquées dans colonisation sont surexprimées dans un milieu avec glucose, cette régulation étant vraisemblablement liée à la diminution du pH résultant de la fermentation du glucose plutôt qu'à un effet direct de ce sucre. Cette régulation des facteurs de virulence par le pH acide est probablement un élément favorable au processus de colonisation de l'hôte. Ces différentes analyses ont également permis l'identification de facteurs de virulence potentiels, qui devront être caractérisés par la suite.