Au laboratoire, une famille de tyrosine kinases propres aux bactéries et ne présentant aucune ressemblance structurale avec les protéine-kinases d'origine eucaryote a été identifiée. Ces enzymes, appelées BY-kinases, sont notamment impliquées dans la biosynthèse des polysaccharides extracellulaires, mais leurs rôles précis ainsi que leurs mécanismes catalytiques sont encore peu compris.Dans la première partie de ce travail, nous avons caractérisé le rôle physiologique de la phosphorylation sur la tyrosine de la protéine Ugd, une UDP-glucose déshydrogénase, par les BY-kinases Wzc et Etk d'E. coli. Nous avons démontré que la phosphorylation d'Ugd sur un site commun à Wzc et Etk augmente son activité. Nous avons également établi que la phosphorylation d'Ugd par Wzc participe à la régulation de la quantité d'acide colanique produit, tandis que la phosphorylation d'Ugd par Etk influence la résistance de la bactérie à la polymyxine.Nous avons également effectué une analyse structure-fonction du domaine cytoplasmique de deux BY-kinases, CapA1/CapB2 de S. aureus et Wzc d'E. coli. Nous avons montré que ces deux protéines s'associent en octamère, grâce au motif EX2RX2R et qu'elle s'autophosphoryle selon un mécanisme intermoléculaire. Nous avons, de plus, identifié le mécanisme d'activation de ces protéines et révélé l'importance d'un domaine particulier dans l'autophosphorylation de Wzc et la biosynthèse de l'acide colanique.La caractérisation structurale et fonctionnelle des BY-kinases représente une approche prometteuse et originale en vue de l'élaboration de molécules inhibant spécifiquement leur activité et pouvant affecter le pouvoir virulent des bactéries pathogènes.

Les entérobactéries productrices de carbapénèmases peuvent être responsables d’impasses thérapeutiques puisque ces souches sont multirésistantes aux antibiotiques. La colistine, un antibiotique de la famille des polymyxines, fait partie des molécules de derniers recours potentiellement utilisables pour le traitement des patients infectés par ces souches. Son utilisation est ainsi en augmentation constante mais des résistances émergent.Ce travail a contribué à l’amélioration du diagnostic de la résistance à la colistine par le développement de deux nouveaux outils diagnostiques : un test rapide, le Rapid Polymyxin NP test et un milieu de culture sélectif, la gélose SuperPolymyxin. Il a permis d’identifier de nouvelles mutations chromosomiques au sein des gènes pmrA, pmrB, phoP, phoQ, mgrB et crrB responsables de l’acquisition de résistances et d’hétérorésistance à la colistine chez K. pneumoniae et K. oxytoca. Il a révélé que les mutations chromosomiques et les résistances plasmidiques étaient additionnelles et pouvaient entraîner l’acquisition d’un haut niveau de résistance à la colistine chez E. coli. Il a permis d’identifier une épidémie de souches de K. pneumoniae productrices de la carbapénèmase OXA-48 et résistantes à la colistine en France en 2014. Il a démontré que Hafnia était un genre d’entérobactéries présentant une résistance naturelle de bas niveau à la colistine. Enfin, il a permis de proposer une option thérapeutique, le ceftazidime/avibactam en association ou non avec l’aztréonam, pour traiter les patients infectés par les souches de K. pneumoniae productrices de carbapénèmases et résistantes à la colistine.Ce travail a ainsi contribué à améliorer les connaissances sur la résistance à la colistine chez les BGN au niveau du diagnostic, des mécanismes de résistance acquis, des résistances naturelles, et de l’épidémiologie et a permis de proposer des combinaisons d’antibiotiques actives in vitro sur les souches de K. pneumoniae productrices de carbapénèmases et résistantes à la colistine. / Carbapenemase-producing Enterobacteriaceae may be responsible for therapeutic impasses since these strains are multidrug-resistant. Colistin, an antibiotic of the polymyxin family, is one of the last-resort molecules potentially usable for the treatment of patients infected with these strains. Its use is thus constantly increasing but resistances emerge.This work contributed to improve the diagnosis of colistin resistance by developing two new diagnostic tools: a rapid test, the Rapid Polymyxin NP test and a selective culture medium, the SuperPolymyxin agar. It identified new chromosomal mutations within the pmrA, pmrB, phoP, phoQ, mgrB and crrB genes responsible for the acquisition of colistin resistance and heteroresistance in K. pneumoniae and K. oxytoca. It revealed that chromosomal mutations and plasmid resistance were additional and could lead to the acquisition of a high level of colistin resistance in E. coli. It identified an outbreak caused by colistin-resistant OXA-48-producing K. pneumoniae strains in France in 2014. It demonstrated that Hafnia was a genus of enterobacteria with low-level intrinsic resistance to colistin. Finally, it suggested a therapeutic option, the ceftazidime / avibactam in combination or not with aztreonam, to treat patients infected with colistin-resistant and carbapenemase-producing K. pneumoniae.This work has significantly contributed to improve the knowledge of colistin resistance in Gram negatives in diagnostic, in characterization of acquired or intrinsic resistance mechanisms, and in epidemiology.

La colistine, antibiotique appartenant à la famille des polymyxines, est un polypeptide cyclique, cationique, ciblant les membranes bactériennes. Elle est produite par Paenibacillus polymyxa via des complexes multi-enzymatiques appelés Non-Ribosomal Peptides Synthétases (NRPS). Dans le cas de la mucoviscidose, et malgré des effets secondaires importants, la colistine est utilisée comme ultime recours pour lutter contre les bactéries Gram-négatives multirésistantes responsables d’infections pulmonaires dont Pseudomonas aeruginosa. Jusqu’ici les systèmes génétiques à l’origine de la production de la colistine étaient peu connus. Au cours de cette étude, nous avons caractérisé par LC-MS haute résolution des molécules antimicrobiennes, dont des colistines, produites par un nouveau Paenibacillus. Afin d’identifier et de cloner le cluster de gène responsable de la production de ces antibiotiques, une banque d’ADN génomique a été construite et criblée par homologie de séquence avec des systèmes de production déjà connus. Ce criblage a permis de sélectionner quatre clones d’intérêt. L’étude in silico de leurs séquences a permis d’identifier les différents modules d’un nouveau cluster NRPS qui serait à l’origine de la synthèse de variants de la colistine. À terme, cette découverte pourrait permettre de mieux contrôler la production de la colistine et d’obtenir des composés plus actifs et/ou présentant des effets secondaires amoindris. En parallèle à ce premier travail, nous avons également recherché la présence de nouvelles NRPS chez une centaine de micro-organismes issus d’une station d’étude environnementale du laboratoire (vasière intertidale). Ce travail a permis de découvrir des nouvelles séquences et d’isoler un nouveau micro-organisme producteur d’antibiotique(s). / Colistin is a cationic cyclic polypeptide antibiotic belonging to the polymyxin family and targeting bacterial membranes. It is produced by Paenibacillus polymyxa through a Nonribosomal Peptide Synthetase (NRPS) mechanism. In the context of cystic fibrosis (CF), colistin is used for the treatment of lung infections caused by multiresistant Gram-negative bacteria including Pseudomonas aeruginosa. Unfortunately, this molecule is also known for its strong side effects. So far, genetic systems controlling the production of polymyxins were little known. In this study we characterized by High-resolution LC-MS the antimicrobial molecules, including colistins, of a new Paenibacillus. A genomic library of this strain was constructed and screened to identify genes involved in the production of these antibiotics. A degenerated PCR screening was performed and allowed to select four clones in the genomic library. In silico study allowed to identify a new NRPS gene cluster responsible for the biosynthesis of colistin variants. In the future, this work might allow the harnessing of the production of colistin derived structures, more active and/or showing fewer side effects. In parallel, a second investigation was performed in order to find new NRPS genes in a collection of one hundred intertidal mudflat bacterial isolates. This work has allowed the identification of new sequences and the characterization of a new antimicrobial producing strain.

L’émergence de nouvelles souches bactériennes résistantes a signé la fin de l’« âge d’or » des antibiotiques. L’organisation mondiale de la santé a reconnu l’imminence des problèmes associés à ces nouvelles bactéries, qui engendrent de nouveau une mortalité en augmentation. Afin de palier à ce problème, de nouvelles alternatives aux antibiotiques sont envisagées par les chercheurs à travers le monde. La thérapie photodynamique antimicrobienne est l’une de ces alternatives. Elle a su se démarquer grâce à son incapacité à induire la résistance bactérienne. Alors que les résultats furent initialement très prometteurs contre les bactéries Gram positif, une moins bonne sensibilité fut rapidement observée de la part des bactéries Gram négatif. Afin d’augmenter le potentiel antibactérien de cette technique, diverses stratégies furent élaborées comme l’utilisation de photosensibilisateurs cationiques, l’ajout d’un agent de ciblage, ou la présence d’un agent de perméabilisation membranaire. L’un de ces agents est la polymyxine B, un peptide antimicrobien qui arbore une très bonne affinité avec les bactéries Gram négatif. Dans cette étude, nous avons voulu associer chimiquement différents photosensibilisateurs avec des dérivés de polymyxines B de façon covalente, par l’intermédiaire d’un bras « spacer » ou d’une plateforme. L’association de ces deux familles de molécules a permis d’élaborer de nouveaux composés qui ont démontré une activité photobactéricide accrue contre un large spectre de bactérie. De plus, ces composés ont montré une affinité augmentée pour les bactéries, ce qui permettra de réduire les effets secondaires sur les cellules humaines. Cette étude confirme l’importance d’utiliser des peptides antimicrobiens afin d’améliorer la thérapie photodynamique. Ces travaux seront approfondis afin de permettre la création de nouveaux traitements dermatologiques basées sur cette nouvelle thérapie et efficaces contre un large spectre de souche bactérienne / Despite advances achieved over the last decade, infections caused by multi-drug resistant bacterial strains are increasingly important societal issues that need to be addressed. New approaches have already been developed in order to overcome this problem. Photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) could provide an alternative to fight infectious bacteria. Interesting results have been obtained against Gram-positive bacteria, but it also appeared that Gram-negative strains were less sensitive to PACT. Enhanced efficacy against Gram-negative bacteria had been previously obtained following three differents strategies, which are respectively the use of cationic photosensitizers, photosensitizers bound to antimicrobial peptides, or a membrane disrupting agent. Polymyxin B is an antimicrobial peptide, known as the “last-line” treatment against Gram-negative resistant strains, which has already been used as a disrupting agent in order to improve PACT. In addition of this enhancement, this peptide is known for its strong interaction for Gram-negative bacteria. Thus, in this work, we designed differents coumpounds, consisting of a photosensitizer covalently attached to derivatives of polymyxin B, through a spacer or a chemical platform. These combinations have led to the creation of novel compounds which have shown highly photobactericidal activities against a wide spectrum of bacteria. Moreover, these compounds present enhanced affinity for bacteria, which should significantly reduce side effects on mammalian cells. This study confirmed the importance of using antimicrobial in order to target bacterial strains. Thus, such results may allow the creation of novels PACT-based dermatological treatments efficient against a wide spectrum of bacterial strains.

Au laboratoire, une famille de tyrosine kinases propres aux bactéries et ne présentant aucune ressemblance structurale avec les protéine-kinases d’origine eucaryote a été identifiée. Ces enzymes, appelées BY-kinases, sont notamment impliquées dans la biosynthèse des polysaccharides extracellulaires, mais leurs rôles précis ainsi que leurs mécanismes catalytiques sont encore peu compris.Dans la première partie de ce travail, nous avons caractérisé le rôle physiologique de la phosphorylation sur la tyrosine de la protéine Ugd, une UDP-glucose déshydrogénase, par les BY-kinases Wzc et Etk d’E. coli. Nous avons démontré que la phosphorylation d’Ugd sur un site commun à Wzc et Etk augmente son activité. Nous avons également établi que la phosphorylation d’Ugd par Wzc participe à la régulation de la quantité d’acide colanique produit, tandis que la phosphorylation d’Ugd par Etk influence la résistance de la bactérie à la polymyxine.Nous avons également effectué une analyse structure-fonction du domaine cytoplasmique de deux BY-kinases, CapA1/CapB2 de S. aureus et Wzc d’E. coli. Nous avons montré que ces deux protéines s’associent en octamère, grâce au motif EX2RX2R et qu’elle s’autophosphoryle selon un mécanisme intermoléculaire. Nous avons, de plus, identifié le mécanisme d’activation de ces protéines et révélé l’importance d’un domaine particulier dans l’autophosphorylation de Wzc et la biosynthèse de l’acide colanique.La caractérisation structurale et fonctionnelle des BY-kinases représente une approche prometteuse et originale en vue de l’élaboration de molécules inhibant spécifiquement leur activité et pouvant affecter le pouvoir virulent des bactéries pathogènes. / A new class of bacterial enzymes, named BY-kinases, has been shown to catalyze protein-tyrosine phosphorylation. These enzymes share no structural and functional similarities with their eukaryotic counterparts. Evidence of their involvement in extracellular polysaccharide biosynthesis has been provided, but their accurate functions and their catalytic mechanism remain largely unknown.First, we characterized the physiological role of tyrosine phosphorylation of Ugd, a UDP-glucose dehydrogenase, by the BY-kinases Wzc and Etk of E. coli. We demonstrated that Ugd phosphorylation by Wzc or Etk occurs on the same site and increases its activity. We also established that Wzc-mediated phosphorylation of Ugd participates in the regulation of colanic acid production whereas Ugd phosphorylation by Etk influences resistance to polymyxin.In addition, we performed a structure-function analysis of the cytoplasmic domain of two BY-kinases, namely CapA1/CapB2 from S. aureus and Wzc from E. coli. We showed that these two proteins associate in a ring-shaped octamer in which the motif EX2RX2R plays a crucial role. In addition, we showed that BY-kinases autophosphorylate using an intermolecular mechanism. We also identified the activation mechanism of BY-kinases and we revealed the role of a particular domain, found specifically in BY-kinases from proteobacteria, in Wzc autophosphorylation and colanic acid biosynthesis.Structural and functional characterization of BY-kinases represents an original and promising approach in order to develop new molecules inhibiting specifically these enzymes and to affect the virulence of bacterial pathogens.

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