Summary : Enterococcus faecium possesses a low affinity PBP5 that, like in other enterococci, is an important factor contributing to the intrinsic resistance to penicillin. The structure of PBP5 soluble form in complex with benzylpenicillin has been solved at 2.1 Å resolution. On the basis of this 3D structure, it was proposed that the I623KEKQDEKG631 turn connecting β3 and β4 strands and constituting one wall of the active site, as well as, R464 involved in a salin-bridge near the active site could be responsible for the low β-lactam affinity of PBP5fm The k2/K of sPBP5fm acylation by various b-lactams have been determined and, as expected for a low affinity PBP, they are very low. Mutants were constructed to determinate the role of the residues pointed in the 3D structure as related to the observed low affinity. For the sPBP5fm∆I7G mutant, the acylation rate constants are similar to those measured for sPBP5fm. However, when compared to the wild type, the mutants without salin-bridge show a higher affinity that could be explained as the consequence of an easier accessibility to the active site for the inactivator. This study allows mapping active site cavity and determines the importance of structural elements to understand the low affinity of PBP5. Furthermore, three news β-lactams (ceftaroline, ceftobiprole and ME1036) were tested against PBP5fm and they all exhibit inhibitory activity against the protein. Ceftaroline appears as the best inhibitor of sPBP5fm as well as the best inhibitor while tested on Enterococcus faecium cultures. Résumé : Enterococcus faecium possède une protéine PBP5 de faible affinité, qui est un facteur important de la résistance intrinsèque à la pénicilline. La structure de la forme soluble dans PBP5 complexés avec la benzylpénicilline a été résolue à 2,1 Å. Sur la base de cette structure 3D, il a été proposé que la boucle I623KEKQDEKG631 reliant brins β3 et β4 et pouvant constituer une barrière pour atteindre le site actif, ainsi que, R464 impliqué dans un pont-salin près du site actif qui pourrait être responsable de la faible affinité β-lactamines de PBP5fm. Dans un 1er temps, les k2/K de sPBP5fm sauvage par diverses β-lactamines ont été déterminées, et comme prévu, elles sont très faibles. Dans un 2nd temps, les mutants ont été produits, purifiés et caractérisés de manière à déterminer le rôle des résidus choisis dans la faible affinité. Pour le mutant sPBP5fmΔI7G, les constantes de vitesse acylation sont similaires à ceux mesurée pour sPBP5fm sauvage. Tandis que les mutants sans le pont salin R464-D481 montrent une relative plus grande affinité par rapport au type sauvage, qui pourrait être expliqué par un accès plus facile de linhibiteur au site actif. Cette étude permet une première cartographie de la cavité du site actif de PBP5fm et qui détermine limportance ou non déléments de structure pour comprendre la faible affinité. Trois nouvelles β-lactamines (ceftaroline, ceftobiprole et ME1036) ont été testés contre PBP5fm et elles présentent une activité inhibitrice de PBP5fm. La ceftaroline apparaît comme le meilleur inhibiteur de PBP5fm ainsi que le meilleur inhibiteur lors des essais sur les cultures Enterococcus faecium.

Les b-lactamines, grâce à leur efficacité clinique, sont parmi les antibiotiques les plus prescrits pour traiter des infections bactériennes. Cependant, leur utilité est compromise par la prolifération des b-lactamases (BLs) avec des profils d’hydrolyse de substrats très larges. La résistance induite par les BLs compromet également les b-lactamines les plus puissantes (c-à-d les carbapénèmes). OXA-48, une carbapénèmase de classe D (CHDL), a été initialement identifiée dans une souche de K. pneumoniae de Turquie en 2001. OXA-48 hydrolysent fortement les pénicillines, faiblement les carbapénèmes, et quasiment pas les céphalosporines de troisième génération (C3G). Cependant certains variants comme OXA-163 ou OXA-405 hydrolysent les C3G et pas les carbapénèmes. La comparaison de la structure tri-dimensionnelle d’OXA-48 avec d’autres CHDLs a révélé de petites différences principalement localisées dans les boucles qui relient des éléments de structure. Notamment, la boucle localisée entre les feuillets b5 et b6 semble jouer un rôle majeur dans l’hydrolyse des carbapénèmes.Afin de mieux comprendre la contribution de la boucle b5-b6 dans l’hydrolyse des carbapénèmes, nous avons étudié, grâce à des outils biochimiques et structuraux, des variants naturels ou synthétiques d’OXA-48 présentant des modifications dans la boucle: le rôle du remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine, des délétions croissantes ou de l’augmentation de la taille de la boucle. Nous avons également réalisé l’échange de boucle entre OXA-48 et OXA-18, une oxacillinase inhibée par l’acide clavulanique et hydrolysant fortement les C3G mais pas les carbapénèmes. La protéine recombinante OXA-48loop18 hydrolysait les C3G, et conservait une activité significative d’hydrolyse des carbapénèmes. L’échange de boucle a permis l’élargissement du site actif, permettant l’accès à des b-lactamines possédant un radical volumineux (e.g. ceftazidime). De plus, le remplacement de chaque AA de la boucle par une alanine a relevé de faibles changements hydrolytiques. En réalisant des délétions croissantes d’AA soit en partant de la gauche de la boucle (Tyr-211 vers Pro-217) ou de la droite (Pro-217 vers Tyr-211), nous avons montré que l’activité d’hydrolyse des carbapénèmes diminuait avec la taille des délétions, alors que celle des C3G augmentait. Les délétions de 4 AA présentent les plus fortes activités hydrolytiques des C3G et une perte totale de l’activité carbapénèmase, excepté pour le simple mutant, OXA-48∆P217, qui présentait un profile d’hydrolyse avec une forte activité carbapénèmase et C3G. La cristallographie et la modélisation moléculaire ont montré une grande flexibilité de la boucle, permettant l’entrée de b-lactamines de tailles variables. De plus, l’étude de nouveaux variants d’OXA-48 a permis d’identifier des déterminants structuraux importants dans le profil d’hydrolyse observé. Ainsi, la délétion I215-E216 associée à la substitution R214K dans la boucle b5-b6 de OXA-517 permet une forte hydrolyse des carbapénèmes et des C3G. De même, dans OXA-519, une substitution V120L située à proximité de la boucle b5-b6, a pour conséquence une diminution de l’affinité pour tous les substrats. La chaine latérale plus encombrante de la L120 empêche l’insertion des b-lactamines, diminuant l’affinité de l’enzyme. Finalement, nous avons caractérisé OXA-535, la b-lactamase naturelle et chromosomique de Shewanella bicestrii JAB-1 qui, n’ayant uniquement 91,5% d’identité en AA avec OXA-48, présente le même profil d’hydrolyse. OXA-535 présentait 98.9% d’identité en AA avec OXA-436, codé par un gène plasmidique, suggérant ainsi que S. bicestrii portant le gène blaOXA-535 pourrait être le progéniteur du gène plasmidique blaOXA-436.Nos travaux ont montré le formidable pouvoir d’adaptation de OXA-48 à évoluer par mutation afin d’accommoder différents substrats, et comment la nature et la longueur de la boucle b5-b6 pouvait influencer sur la spécificité de substrat. / Antimicrobial resistance is the most alarming emerging problem in infectious diseases. b-Lactams, due to their safety, reliable killing properties and clinical efficacy, are among the most frequently prescribed antibiotics used to treat bacterial infections. However, their utility is being threatened by the worldwide proliferation of b-lactamases (BLs). BL-mediated resistance does not spare even most powerful b-lactams, carbapenems, whose activity is challenged by carbapenemases. OXA-48, a carbapenem-hydrolyzing class D b-lactamase (CHDL) initially identified from a Klebsiella pneumoniae isolate from Turkey in 2001, has since spread globally with the isolation of more than 30 variants. Most OXA-48-like enzymes hydrolyze penicillins at high level, carbapenems at low level and lack significant expanded-spectrum cephalosporin (3GC) hydrolysis, others such as OXA-163 hydrolyze expanded-spectrum cephalosporins and poorly carbapenems. Comparison of OXA-48 tertiary structure with those of other CHDLs revealed small differences located mainly in the loops connecting secondary structure elements, which may vary in length and orientation. The loop located between the b5 and b6 strands (Tyr211 to Pro217) has been suggested to play a major role in carbapenem hydrolysis.To better understand the contribution of the b5-b6 loop in the carbapenem hydrolysis of OXA-48-like carbapenemases, we investigated, using biochemistry and structural biology, natural OXA-48 variants with changes in different loops, replaced each AA of the loop b5-b6 by alanines, performed increasing deletions or increased the size of this loop by replacing it with that of OXA-18, a clavulanic acid inhibited class D b-lactamase that presents activity against expanded-spectrum cephalosporins and none against carbapenems. The resulting OXA-48loop18 was able to hydrolyze expanded-spectrum cephalosporins and conserved partial carbapenem hydrolysis. Structural analysis demonstrated that the loop swap produced an opening of the active site, being now accessible to b-lactams with bulky sidechains e.g. ceftazidime. Additionally, by performing alanine replacements in the b5-b6 loop we could show reduced hydrolysis of carbapenems, mostly reflected by changes in kcat. By increasing deletions in the b5-b6 loop, starting from Tyr211 to Pro217 and from the Pro217 to Tyr211, the activity against carbapenems decreased with the size of the deletion whereas the activity against ceftazidime increased. 4 AA deletions revealed the highest 3GC activity, except for one single AA mutant, OXA-48∆P217, with high level carbapenem and ceftazidime hydrolysis. Crystallography along with molecular modelling showed an increased flexibility of this loop allowing different sized b-lactams to enter the active site. Moreover, the characterization of three novel natural OXA-48 variants revealed structural features important in the observed hydrolysis profile. Thus, the I215-E216 deletion and R214K substitution in the b5-b6 loop of OXA-517 induced the hydrolysis of carbapenems and C3G at high level. In OXA-519, the V120L substitution is located at the bottom of the binding site, in the close vicinity of the active Ser70 and the b5-b6 loop, and therefore overall higher Km values were observed compared to OXA-48. The bulkier side chain of L120 in OXA-519 hampers the approach of b-lactam substrate, resulting in a decrease of the substrate affinity. Finally, we have characterized the chromosomally-encoded OXA-535 that is more distantly related to OXA-48 (91.5% AA identity), despite similar hydrolysis profiles. Interestingly, OXA-535 presented 98.9% of AA identity with the plasmid-mediated OXA-436 suggesting that the blaOXA-535 gene might be the progenitor of the plasmid-encoded blaOXA-436 gene.Taken together, our work illustrates the propensity of OXA-48 to evolve through mutations to accommodate different substrates in its active site and how the b5–b6 loop determines the specificity of the enzyme.

Streptococcus pneumoniae est le pathogène bactérien le plus important des voies respiratoires (pneumonie, bronchite et otite moyenne) chez les adultes et les enfants. Cette bactérie est responsable d’une morbidité et une mortalité importantes. Bien que la pénicilline présente une activité contre de nombreux isolats de S. pneumoniae, la résistance à cet antibiotique est aujourd'hui, fréquemment rencontrés à la fois à l'hôpital et dans la communauté. La résistance à la pénicilline chez Streptococcus pneumoniae est causée par un bloc de gènes codant pour des versions altérées de protéines liant la pénicilline (PLP). Néanmoins, S. pneumoniae a également développé des mécanismes de résistance à la pénicilline indépendants des PLPs altérées. L'objectif principal de cette thèse était d’utiliser des approches génomiques pour comprendre le génotype et le phénotype de résistance aux ß-lactamines chez S. pneumoniae. Le travail présenté dans cette thèse a indiqué que des mutations dans les PLPs ne sont pas suffisantes pour obtenir une résistance de haut niveau à la pénicilline et au céfotaxime. Cette étude a indiqué également que la sélection de la résistance à la pénicilline chez S. pneumoniae peut impliquer l’acquisition de mutations conférant une tolérance à l’accumulation d’oxydants causée par les antibiotiques. Cette tolérance peut se traduire par une augmentation de la survie qui permet possiblement la sélection des déterminants majeurs de résistance tels que des mutations dans les PLPs. Dans le cas des souches cliniques résistantes à la pénicilline, nous présentons également un nouveau rôle pour une alpha-amylase cytoplasmique conférant une résistance modérée à la pénicilline en présence d'altération des PLPs. Par ailleurs, nos travaux sur la résistance au céfotaxime chez S. pneumoniae a permis la découverte de nouveaux gènes impliquées dans la résistance au céfotaxime, y compris les gènes spr1333, spr0981, spr1704 et spr1098 qui codent respectivement pour un peptidoglycan GlcNAc déacetylase, une glycosyltransférase, un transporteur ABC et une sortase. Nos travaux génomiques ont permis de découvrir de nouveaux gènes de résistance aux β-lactamines chez S. pneumoniae. / Streptococcus pneumoniae is the most important bacterial pathogen of the respiratory tract (pneumonitis, bronchitis and otitis media) in adults and children resulting in significant morbidity and mortality. Although penicillin shows activity against many isolates of S. pneumoniae, resistance to this antibiotic is now frequently encountered, both at the hospital and in the community. Penicillin resistance in Streptococcus pneumoniae is mediated by a mosaic of genes encoding altered penicillin-binding proteins (PBPs). Nonetheless, S. pneumoniae has also developed non-PBP mechanisms implicated in penicillin resistance. The principal objective of this thesis was to use global sequencing approaches to understand ß-lactam resistance genotype and phenotype in S. pneumoniae. The work presented in this thesis indicated that mutations in PBPs are not sufficient to achieve high level resistance to penicillin and cefotaxime. This study also indicates that the selection of resistance to penicillin in S. pneumoniae involves the acquisition of mutations conferring tolerance to the antibiotic-induced accumulation of oxidants. This tolerance can translate into an increased survival that putatively enables the selection of major resistance determinants such as mutations in PBPs. In the case of clinical isolates, we also report a new role for a cytoplasmic alpha amylase in conferring moderate resistance to penicillin in the presence of altered PBPs. Furthermore, our works on cefotaxime resistance has allowed the discovery of novel cefotaxime resistance genes in S. pneumoniae including spr1333, spr0981, spr1704 and spr1098 coding respectively for a peptidoglycan GlcNAc deacetylase, a glycosyltransferase, an ABC transporter, and a sortase were implicated in resistance to cefotaxime. Our genomic approaches were useful to discover novel β-lactam resistance genes in S. pneumoniae.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les β-lactamases sont le principal mécanisme bactérien de défense contre les β-lactamines. Elles catalysent l’inactivation de ces antibiotique par le clivage de leur noyau β-lactame. Les β-lactamases les plus communes sont celles de la classe A, qui rassemble une grande variété d’enzymes aux spécificités de substrat variées. Ces protéines ont été l’objet de nombreuses recherches expérimentales et théoriques. Plusieurs études de dynamique par spectroscopie RMN ont été réalisées dans notre laboratoire sur les enzymes modèles TEM-1 et PSE-4. Le présent projet continue l’investigation de ces deux β-lactamases par des méthodes théoriques. Un protocole de simulation de DM a été établi et validé par comparaison avec des données de relaxation RMN. Une nouvelle technique d’analyse conjointe DM/RMN a également été développée, permettant de limiter les problèmes de sous et sur-ajustement présents dans l’analyse « model-free ». Pour comparer la dynamique des β-lactamases de classe A en présence et en absence de leur substrat, un potentiel pour les β-lactamines a été développé, en tenant compte de la géométrie et du potentiel chimique particuliers du noyau β-lactame. Ce champ de forces est transférable, permettant la construction d’une variété d’antibiotiques. Nos simulations, couplées aux précédentes études par RMN, démontrent qu’il existe une dualité dynamique dans les β-lactamases de classe A : elles sont hautement structurées à l’échelle ps-ns, mais aussi le siège de mouvements lents (µs-ms) aux abords du site actif et particulièrement dans la boucle qui borde le site catalytique. La rigidité ps-ns favorise un positionnement optimal des résidus du site actif pour une catalyse efficace, et permet la tolérance de mutations potentiellement déstabilisantes. Les mouvements à l’échelle µs-ms les plus intéressants sont localisés dans la boucle Ω et confirment son rôle régulatoire : elle permet l’ouverture du site actif pour l’entrée du substrat et le largage du produit. La liaison du substrat a des effets à longue portée rigidifiant TEM-1. On observe également un mouvement accru de la boucle Ω dans TEM-1 et PSE-4. Les interactions spécifiques menant à cette plus grande flexibilité varient toutefois d’une enzyme à l’autre : il y conservation des propriétés dynamiques. / β-Lactamases are the main bacterial mechanism of resistance against β-lactams. They inactivate these antibiotics by cleaving their β-lactam ring. Class A enzymes are the most prevalent, with a broad variety of substrate specificities. These proteins were studied by numerous experimental and theoretical studies. NMR spectroscopy measurements were performed in our laboratory on model enzymes TEM-1 and PSE-4. This project continues the investigation of the dynamic properties of these two β- lactamases using theoretical methods. An MD simulation protocol was established and validated using NMR relaxation data. A new joint MD/NMR analysis technique was developped, allowing a reduction of under- and over-fitting problems in model-free analysis. To compare class A β-lactamase dynamics in presence and absence of substrate, a potential was developped to describe β-lactams, taking into account the particular geometry and chemical potential of the β-lactam cycle. This force field is transferable, allowing the construction of a variety of antibiotics. Our simulations, along with past NMR studies, prove the existence of a dynamical duality in class A β-lactamases : they are highly structured on the ps-ns timescale, but also subjected to slow motions (µs-ms) in the vicinity of the active site, particularly in the Ω loop that borders the catalytic site. Ps-ns rigidity favors an optimal positioning of active site residues for an efficient catalysis, and allows the protein to tolerate potentially destabilizing mutations. The most interesting µs-ms motions are located in the Ω loop, confirming its regulatory role : it opens the active site for substrate entry and product release. Substrate binding has structuring long-range effects on TEM-1. Increased loop motions are also observed in both TEM-1 and PSE-4. However, specific interactions responsible for this higher flexibility vary between the two enzymes : protein dynamics properties are conserved.

L’émergence de formes multirésistantes de tuberculose et la résistance intrinsèque de Mycobacterium abscessus à de nombreux anti-infectieux imposent l’identification de nouveaux antibiotiques et de nouvelles stratégies thérapeutiques. Les mycobactéries sont naturellement peu sensibles aux β-lactamines par production d’une β-lactamase et de cibles atypiques de faible affinité, les L,D-transpeptidases, qui sont efficacement inactivées par une seule classe de β-lactamines, les carbapénèmes. L’objectif de la thèse est d’étudier le mode d’action des β-lactamines afin de proposer des stratégies permettant d’optimiser ces antibiotiques. Pour comprendre la spécificité des L,D-transpeptidases vis-à-vis des carbapénèmes, nous avons étudié la cinétique et le mécanisme de la réaction d’inactivation de ces enzymes par différentes méthodes de spectroscopie en flux arrêté. Nos résultats indiquent que l’efficacité des carbapénèmes est due à leur capacité à former rapidement un intermédiaire tétrahédrique et à la stabilité de l’acylenzyme. La spécificité des L,D-transpeptidases pour les carbapénèmes ne dépend pas de leurs chaînes latérales, qui pourraient être modifiées pour améliorer les propriétés pharmacologiques de ces antibiotiques. Chez M. abscessus, nous avons identifié un inhibiteur de la β-lactamase, l’avibactam, qui augmente l’activité de certaines β-lactamines in vitro, en intracellulaire et dans un modèle d’infection du poisson zèbre. Nos résultats montrent que les β-lactamines peuvent être optimisées pour le traitement des infections dues aux mycobactéries multirésistantes par l’amélioration de l’inactivation des cibles ou l’inhibition des β-lactamases. / The emergence of multidrug-resistant tuberculosis and the intrinsic resistance of Mycobacterium abscessus to most antibiotics require the identification of new drugs and new therapeutic strategies. Mycobacteria are naturally poorly susceptible to β-lactam antibiotics due to production of a β-lactamase and of atypical low-affinity targets, the L,D-transpeptidases, which are effectively inactivated by a single class of β-lactams, the carbapenems. The aim of the thesis is to study the mode of action of β-lactams to propose strategies for the optimization of these antibiotics. To understand the specificity of L,D-transpeptidase for carbapenems, we have studied the kinetics and mechanism of inactivation of these enzymes using various stopped-flow spectroscopic methods. Our results indicate that the efficacy of carbapenems is due to their ability to rapidly form a tetrahedral intermediate and to the stability of the acylenzyme. The specificity of the L,D-transpeptidases for carbapenems does not depend upon the side chains of the drugs, which may be modified to improve their pharmacological properties. In M. abscessus, we have shown that the β-lactamase inhibitor avibactam increases the activity of various β-lactams in vitro, intracellularly, and in zebrafish model. Our results show that β-lactams can be optimized for the treatment of infections due to multidrug-resistant mycobacteria by improving inactivation of the targets and by inhibiting the β-lactamases.

La résistance croissante et alarmante aux antimicrobiens chez de nombreuses bactéries pathogènes humaines telles que Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae et Pseudomonas aeruginosa représente un problème majeur de santé publique. Ce problème est aggravé par l’apparition de souches multirésistantes et par le nombre limité d’antibiotiques en développement. Il devient donc impératif de s’affairer à protéger l’efficacité des molécules disponibles. Par ailleurs, une meilleure compréhension du mode d’action des antibiotiques et de la réponse induite par ceux-ci pourrait être bénéfique pour identifier de nouvelles cibles bactériennes pour le développement d’adjuvants chimio-thérapeutiques. Notre étude de la réponse transcriptomique par la technique d’ARN-Seq de trois souches de S. pneumoniae sensibles à la pénicilline (PEN) a montré un nouveau lien entre le métabolisme de la glutamine et la sensibilité à la PEN. En effet, les gènes des opérons glnRA et glnPQ impliqués dans la synthèse et l’absorption de la glutamine étaient parmi les gènes les plus sous-exprimés chez les trois souches traitées avec la PEN. Nous avons aussi détecté une augmentation des concentrations intracellulaires de la glutamine à la suite du traitement à la PEN. En outre, l’inhibition chimique de la glutamine synthétase codée par glnA sensibilise S. pneumoniae à la PEN, et ceci a aussi été observé chez des isolats cliniques résistants à la PEN. En résumé, une combinaison d’études transcriptomique et métabolomique a démontré que la PEN interfère avec le métabolisme de la glutamine, suggérant des stratégies qui pourraient être exploitées en bithérapie. Chez les bactéries à Gram négatif, la résistance aux carbapénèmes devient de plus en plus menaçante pour la santé mondiale. L'efficacité de l’imipénème (IMP) diminue avec l'apparition de la résistance. Notre criblage chimiogénomique chez E. coli, K. pneumoniae et P. aeruginosa a mis en évidence des réponses communes et spécifiques à l’IMP à chaque espèce. Une analyse comparative de 145 mutants a montré que les gènes les plus mutés codaient pour des protéines impliquées dans la biogenèse de la membrane et de l'enveloppe cellulaires, la transcription et la transduction de signal. iii Nos résultats ont montré que le gène rpoD codant pour un facteur sigma d'ARN polymérase était muté chez les trois espèces et le rôle de ce gène dans la résistance a été validé expérimentalement chez E. coli. En outre, de nombreux gènes codant pour des amidases, transférases et transglycosidases ont conféré un faible niveau de résistance aux entérobactéries, alors que les mutations d'OprD étaient fréquentes chez P. aeruginosa, mais divers systèmes de transduction de signal à deux composants étaient également susceptibles d'être impliqués dans la résistance à l'IMP. De façon intéressante, certains gènes identifiés tels que rpoD, slt codant pour une transglycosylase lytique, ainsi que les histidines kinases sont déjà envisagés comme des cibles thérapeutiques prometteuses. Finalement, cette étude a confirmé le pouvoir de diverses approches omiques quant à la compréhension des modes d’action des antibiotiques et à la prédiction des mécanismes de résistance développés contre eux. Ceci nous permettra de mettre en place des stratégies pour protéger l’efficacité des antibiotiques actuellement utilisés mais aussi celle de nouvelles molécules développées.

La résistance croissante et alarmante aux antimicrobiens chez de nombreuses bactéries pathogènes humaines telles que Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae et Pseudomonas aeruginosa représente un problème majeur de santé publique. Ce problème est aggravé par l’apparition de souches multirésistantes et par le nombre limité d’antibiotiques en développement. Il devient donc impératif de s’affairer à protéger l’efficacité des molécules disponibles. Par ailleurs, une meilleure compréhension du mode d’action des antibiotiques et de la réponse induite par ceux-ci pourrait être bénéfique pour identifier de nouvelles cibles bactériennes pour le développement d’adjuvants chimio-thérapeutiques. Notre étude de la réponse transcriptomique par la technique d’ARN-Seq de trois souches de S. pneumoniae sensibles à la pénicilline (PEN) a montré un nouveau lien entre le métabolisme de la glutamine et la sensibilité à la PEN. En effet, les gènes des opérons glnRA et glnPQ impliqués dans la synthèse et l’absorption de la glutamine étaient parmi les gènes les plus sous-exprimés chez les trois souches traitées avec la PEN. Nous avons aussi détecté une augmentation des concentrations intracellulaires de la glutamine à la suite du traitement à la PEN. En outre, l’inhibition chimique de la glutamine synthétase codée par glnA sensibilise S. pneumoniae à la PEN, et ceci a aussi été observé chez des isolats cliniques résistants à la PEN. En résumé, une combinaison d’études transcriptomique et métabolomique a démontré que la PEN interfère avec le métabolisme de la glutamine, suggérant des stratégies qui pourraient être exploitées en bithérapie. Chez les bactéries à Gram négatif, la résistance aux carbapénèmes devient de plus en plus menaçante pour la santé mondiale. L'efficacité de l’imipénème (IMP) diminue avec l'apparition de la résistance. Notre criblage chimiogénomique chez E. coli, K. pneumoniae et P. aeruginosa a mis en évidence des réponses communes et spécifiques à l’IMP à chaque espèce. Une analyse comparative de 145 mutants a montré que les gènes les plus mutés codaient pour des protéines impliquées dans la biogenèse de la membrane et de l'enveloppe cellulaires, la transcription et la transduction de signal. iii Nos résultats ont montré que le gène rpoD codant pour un facteur sigma d'ARN polymérase était muté chez les trois espèces et le rôle de ce gène dans la résistance a été validé expérimentalement chez E. coli. En outre, de nombreux gènes codant pour des amidases, transférases et transglycosidases ont conféré un faible niveau de résistance aux entérobactéries, alors que les mutations d'OprD étaient fréquentes chez P. aeruginosa, mais divers systèmes de transduction de signal à deux composants étaient également susceptibles d'être impliqués dans la résistance à l'IMP. De façon intéressante, certains gènes identifiés tels que rpoD, slt codant pour une transglycosylase lytique, ainsi que les histidines kinases sont déjà envisagés comme des cibles thérapeutiques prometteuses. Finalement, cette étude a confirmé le pouvoir de diverses approches omiques quant à la compréhension des modes d’action des antibiotiques et à la prédiction des mécanismes de résistance développés contre eux. Ceci nous permettra de mettre en place des stratégies pour protéger l’efficacité des antibiotiques actuellement utilisés mais aussi celle de nouvelles molécules développées.

Mycobacterium abscessus est une mycobactérie responsable principalement d’infections pulmonaires, en particulier chez les patients atteints de mucoviscidose ou de dilatation des bronches. M. abscessus est naturellement résistante aux antituberculeux, laissant peu d’options thérapeutiques. Le traitement de référence associait classiquement un aminoside, un macrolide (clarithromycine) et une β-lactamine (céfoxitine ou imipénème), avec un taux de succès d’environ 50 %. Cependant, des souches résistantes à la clarithromycine sont fréquemment isolées, remettant en cause l’utilisation de cet antibiotique. M. abscessus produit naturellement une β-lactamase à large spectre (BlaMab) mais les mécanismes d’action des β-lactamines n’ont pas été étudiés chez cette espèce, ce qui constitue une entrave à l’optimisation des traitements par cette classe d’antibiotiques. Le premier objectif était d’identifier et de caractériser les cibles des β-lactamines chez cette espèce. Inhibant la dernière étape de polymérisation du peptidoglycane, les cibles potentielles des β-lactamines sont trois familles d’enzymes : les D,D-transpeptidases et les D,D­carboxypeptidases appartenant à la famille des protéines de liaison à la pénicilline (PLP), ainsi que les L,D-transpeptidases qui sont majoritairement responsables de cette dernière étape chez cette espèce. Pour identifier les cibles, des mutants résistants aux β-lactamines ont été sélectionnés à partir de la souche de référence M. abscessus CIP104536 et d’un dérivé portant une délétion du gène blaMab (∆blaMab). Pour les deux souches, l’émergence de la résistance aux β-lactamines a requis de multiples étapes, ce qui constitue un atout pour leur utilisation thérapeutique. Pour les mutants obtenus à partir de la souche CIP104536, les analyses phénotypiques ont montré que la résistance aux β-lactamines n'est pas due à une augmentation de l’efficacité catalytique de BlaMab, à une surproduction de cette enzyme, ou à une diminution de la perméabilité. Le séquençage des génomes de mutants résistants n’a pas révélé de mutations dans les gènes codant pour les L,D-transpeptidases, mais des mutations ont été trouvées dans des gènes codant pour deux PLP. D’autres mutations se situent dans des gènes codant en particulier pour des protéines non caractérisées. L’acquisition de la résistance pourrait donc dépendre de mutations affectant des facteurs essentiels à l’activité des cibles des β­lactamines. Le deuxième objectif était d’étudier et de comparer l’activité in vitro des β-lactamines sur M. abscessus. Des expériences de bactéricidie et d’activité intracellulaire chez le macrophage infecté ont été effectuées pour les souches CIP104536 et ∆blaMab. Parmi les antibiotiques étudiés (amikacine, céfoxitine, imipénème, ceftaroline, et amoxicilline), l’imipénème est le plus efficace sur les deux souches. Sur la souche ∆blaMab, l’association d’imipénème et d’amikacine est bactéricide. En l’absence de BlaMab, l’amoxicilline est aussi efficace que l’imipénème. L’avibactam augmente l’activité de la ceftaroline mais l’inhibition de BlaMab est seulement partielle en intracellulaire. Les résultats obtenus in vitro montrent que l’imipénème est supérieur à la céfoxitine pour des concentrations atteignables dans le sérum. L’inhibition de BlaMab pourrait augmenter l’efficacité de l’imipénème et d’autres composés utilisés pour traiter les infections pulmonaires à M. abscessus. / Mycobacterium abscessus is an important pathogen responsible for pulmonary infections in cystic fibrosis patients or in patients suffering from bronchiectasis. The treatment of infections due to M. abscessus is complicated since this bacterium is naturally resistant to the anti­tuberculous agents. The recommended treatment includes an aminoglycoside, a macrolide (clarithromycin) and a β-lactam (cefoxitin or imipenem), with a success rate of about 50 %. However, strains resistant to clarithromycin are frequently isolated, questioning the use of this antibiotic. M. abscessus naturally produces a broad spectrum β-lactamase (BlaMab) but the mechanisms of action of the β-lactams have not been studied in this species, impairing the optimization of the treatment by these antibiotics. The first objective was to identify and characterize the targets of β-lactams antibiotics in this species. Inhibiting the final stage of the peptidoglycan polymerization, the potential targets of β-lactams are three families of enzymes: the D,D-transpeptidases and D,D­carboxypeptidases belonging to the family of penicillin-binding proteins (PBP), and the L,D-transpeptidases which are mainly responsible for this final stage in this species. To identify the targets, mutants resistant to β-lactams have been selected from the reference strain M. abscessus CIP104536 and from its β-lactamase-deficient derivative ΔblaMab. For both strains, the emergence of resistance to β­lactams has required multiple steps, which is an advantage for the therapeutic use of these antibiotics. For the mutants derived from the strain CIP104536, phenotypic analyzes showed that the resistance to β-lactams is not due to an increase in the catalytic efficiency of BlaMab, to an overproduction of this enzyme, or to a decrease in permeability. Genomes sequencing of the resistant mutants did not reveal mutations in the genes encoding the L,D-transpeptidases, but mutations have been found in genes encoding two PBPs. Other mutations have been detected in genes encoding uncharacterized proteins. Acquisition of resistance could therefore depend on mutations affecting key factors essential for the activity of β-lactams targets. The second objective was to study and compare the in vitro activities of β-lactams against M. abscessus. Bactericidal experiments and intracellular activity in the infected macrophage were performed for the strains CIP104536 and ΔblaMab. Among the antibiotics tested (amikacin, cefoxitin, imipenem, ceftaroline, and amoxicillin), imipenem is the most effective agent against the two strains. Combination of imipenem and amikacin was bactericidal against the ΔblaMab mutant. In the absence of BlaMab, amoxicillin was as active as imipenem. Avibactam increased the intracellular activity of ceftaroline but inhibition of BlaMab was only partial intracellularly. Evaluation of the killing and intracellular activities of β-lactams indicates that imipenem is superior to cefoxitin at clinically achievable drug concentrations. Inhibition of BlaMab could improve the efficacy of imipenem and extend the spectrum of drug potentially useful to treat pulmonary infections.

Les Penicillin-Binding Proteins (PBP) sont des enzymes intervenant dans les étapes finales de la synthèse de la paroi bactérienne et sont les cibles des antibiotiques de la famille des β-lactamines. Dans les souches cliniques de Streptococcus pneumoniae résistantes aux β-lactamines, les PBPs ont de nombreuses mutations qui ont pour effet une diminution d'affinité de ces enzymes pour les antibiotiques. Il y a en moyenne 40 substitutions dans le domaine transpeptidase des deux acteurs majeurs de la résistance PBP2x et PBP1a.<br />Des études précédentes ont décrit le rôle de quatre mutations de PBP2x et de trois de PBP1a, mais celles-ci ne sont responsables que d'une partie de la résistance. Il n'y a très probablement qu'un nombre restreint de mutations responsables de la perte d'affinité des PBPs pour les β-lactamines ayant pour conséquence une augmentation du niveau de résistance.<br />Pour identifier toutes les mutations impliquées, une série de protocoles automatisés permettant de faire de la mutagénèse dirigée, de l'expression, de la purification et de la caractérisation fonctionnelle d'enzymes en utilisant des robots de types manipulateurs de liquides ont été développés. L'application de cette méthode nous a permis de réaliser une caractérisation exhaustive de plus de 40 mutations de PBP2x de la souche clinique<br />résistante 5204. Cette étude a abouti à l'identification de toutes les substitutions clés ainsi qu'à l'élucidation d'un nouveau mécanisme moléculaire de baisse d'affinité de PBP2x pour les β-lactamines. De plus, une étude fonctionnelle et phénotypique de la résistance impliquant PBP1a a été réalisée.<br />Ce travail apporte une vue globale des mécanismes moléculaires de la résistance de S. pneumoniae aux β-<br />lactamines impliquant les PBPs en utilisant une méthode exhaustive originale.

Mycobacterium tuberculosis est responsable de 8,7 millions de nouveaux cas de tuberculose et de 1,4 millions de décès en 2011. L’émergence de souches résistantes aux deux antituberculeux majeurs, isoniazide et rifampicine, (MDR) et aux antibiotiques de seconde ligne (XDR), ainsi que la difficulté d’éradiquer les formes « dormantes » du bacille nécessitent la recherche de nouveaux antibiotiques. Les β-lactamines n’ont jamais été utilisées en thérapeutique car M. tuberculosis produit une β-lactamase à large spectre, BlaC. Cependant, l’association d’une β-lactamine appartenant à la classe des carbapénèmes, le méropénème, et d’un inhibiteur de β-lactamase, l’acide clavulanique, est active sur M. tuberculosis incluant des souches XDR. Notre objectif a été de caractériser les cibles des carbapénèmes qui sont atypiques chez M. tuberculosis, parce que le peptidoglycane de cette bactérie contient majoritairement (80%) des ponts interpeptidiques formés par une classe particulière de transpeptidases, les L,D-transpeptidases. Nous avons comparé les cinq L,D-transpeptidases de M. tuberculosis au niveau de leur activité in vitro dans la formation des ponts interpeptidiques du peptidoglycane et dans la réaction d’inactivation par les carbapénèmes. Nous avons ainsi pu montrer que les cinq L,D-transpeptidases sont fonctionnelles in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 sont capables de former des ponts interpeptidiques du peptidoglycane reliant l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique donneur à l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique accepteur. Ces mêmes enzymes peuvent également utiliser la D-méthionine comme accepteur dans une réaction d’échange de la D-Ala4 du substrat tétrapeptidique. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 forment un complexe covalent avec les carbapénèmes. La réaction d’inactivation des L,D-transpeptidases par les carbapénèmes se déroulent en deux étapes. Dans un premier temps, un intermédiaire covalent réversible est formé (constante catalytique k1) puis la deuxième étape aboutit à la formation de l’acylenzyme (constante catalytique k2). La détermination des constantes catalytiques d’inactivation k1 et k2 a révélé d’importantes différences entre les carbapénèmes. Excepté pour LdtMt1, l’imipénème inactive plus rapidement les L,D-transpeptidases que les autres carbapénèmes suggérant que des modifications de la chaine latérale pourraient être envisagées pour optimiser l’activité « anti-mycobactérienne » de cette classe de β-lactamines. Nous avons en parallèle initié l’étude de la régulation des L,D-transpeptidases dans différentes conditions de culture ce qui permettra à terme d’identifier les L,D-transpeptidases essentielles pour la croissance et la persistance de M. tuberculosis. Ce travail pourrait déboucher sur l’identification de cibles essentielles permettant l’éradication des formes dormantes de M. tuberculosis qui sont très difficile à traiter. / Mycobacterium tuberculosis is responsible for 8.7 million of new cases of tuberculosis (TB) and 1.4 million of deaths in 2011. The emergence of strains resistant to the two first-line anti-TB drugs, isoniazid and rifampicin, (MDR), to second line-drugs (XDR) and the difficult to kill dormant forms of the bacilli require the discovery of new anti-TB antibiotics. β-lactams are usually not considered for tuberculosis treatment since M. tuberculosis produces a broad-spectrum β-lactamase, BlaC. However, the combination of β-lactam belonging to the carbapenem class, meropenem, with β-lactamase inhibitor, clavulanate, is notably active on XDR strains. Our aim was to characterize the carbapenem targets, atypical in M. tuberculosis, since peptidoglycan of this bacteria contains a majority (80%) of cross-links formed by a special transpeptidase family, the L,D-transpeptidases. We have compared the five L,D-transpeptidases of M. tuberculosis for their in vitro activities with respect to peptidoglycan dimers formation and for inactivation reaction by carbapenems. Thus, we have showed that the five L,D-transpeptidases were functional in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 were able to form peptidoglycan cross-links binding the third amino acid of a donor tetrapeptide substrate with the third amino acid of an acceptor tetrapeptide substrate. These enzymes were also able to use D-methionine as an acceptor in exchange reaction of D-Ala4 of the donor tetrapeptide substrate. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 formed a covalent adduct with carbapenems. The inactivation reaction of L,D-transpeptidases by carbapenems proceed through two steps. In first, a reversible covalent adduct is formed (catalytic constant k1), followed by a second step leading to acylenzyme formation (catalytic constant k2). The determination of kinetic constants of inactivation k1 et k2 revealed important differences between carbapenems. Except for LdtMt1, Imipenem inactivates L,D-transpeptidases more rapidly than other carbapenems indicating that modification of the carbapenem side chain could be used to optimize their anti-mycobacterial activity. In parallel, we have started the study of the L,D-transpeptidases regulation in various culture conditions will allow identifying the L,D-transpeptidases essential for growth and persistence of M. tuberculosis. This work might lead to identification of essential targets allowing eradication of M. tuberculosis dormant forms, which are difficult to treat with conventional anti-TB drugs.