Caracterisation de nouveaux genes d’autotransporteur et du fimbriae et leurs roles dans la virulence des souches d’E. coli pathogenes extra-intestinales

Habouria, Hajer (2022). Caracterisation de nouveaux genes d’autotransporteur et du fimbriae et leurs roles dans la virulence des souches d’E. coli pathogenes extra-intestinales Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 195 p.

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Résumé

Les infections bactériennes causées par des souches d’Escherichia coli pathogènes extra-intestinales sont à l’origine de nombreuses maladies chez l’homme et les animaux. Ces pathogènes possèdent de nombreux facteurs de virulence, comme les fimbriae et les autotransporteurs, leur permettent de coloniser les cellules de l’hôte. Plusieurs fonctions ont été attribuées à ces protéines qui sont souvent essentielles pour l’établissement d’une infection. Dans ce projet de thèse, nous avons pu caractériser de nouveaux facteurs de virulence qui sont présent chez la souche E. coli pathogène aviaire (APEC) QT598. Parmi lesquels on trouve un fimbriae P-like (PL) porté par un plasmide de virulence et trois autotransporteurs (AT) de la famille des sérines protéase (SPATEs) dont un se trouve sur le plasmide de virulence (serine-protease hemagglutinin autotransporter, Sha) et les autres se trouvent sur un îlot de pathogénicité (tandem autotransporter genes, TagB et TagC). L’objectif principale de ce projet est, donc, de caractériser ces nouveaux facteurs en particulier le fimbriae PL et l’AT Sha, et de déterminer leurs rôles dans la virulence chez les souches ExPEC. Dans la première partie, nous avons tenté de déterminer le rôle potentiel de l’AT Sha en effectuant des analyses in silico. Les résultats ont montré que Sha possède une structure typique d’un AT (un peptide signal, un domaine passager portant le site actif sérine protéase et un domaine β) avec un site de clivage modifié. De plus, nous avons montré qu’il appartient au classe II SPATEs avec une homologie de séquence de 66% d’identité avec Tsh, 60% d’identité avec TleA et 54% d’identité avec Vat. Ensuite, afin de déterminer son rôle dans la virulence, nous avons cloné le gène sha dans une souche E. coli K-12 non-pathogène. Ceci nous a permis d’observer deux phénotypes différents. Le premier était un phénotype d’adhérence, le clone Sha étant capable d’agglutiner différents types de sang, de former un biofilm, de former des auto-agrégations et d’adhérer aux cellules rénales humaines (HEK-293) et de la vessie (5637). Le deuxième phénotype était de type cytotoxique comme mis en évidence sur des cellules vésicales humaines. Toutefois, lors des essais in vivo, l’absence du gène sha n’a pas diminué la capacité de la souche QT598 à coloniser la vessie et les reins durant l’infection urinaire des souris CBA/J. Seul le mutant dépourvu de tous les SPATEs était moins capable de coloniser les reins. Cela peut suggérer le rôle cumulatif ou la redondance des SPATEs dans la survie et l’adaptation de la souche lors des infections urinaires. Dans la seconde partie, les analyses in silico ont montré que le fimbriae PL est constitué d’un groupe de dix gènes : un gène de régulation (plfB) et neuf gènes qui codent pour des protéines de structure et d’assemblage du fimbriae (plfA, plfH, plfC, plfD, plfJ, plfK, plfE, plfF et plfG). De plus, nous avons montré que la souche UPEC UMEA-3703-1 possède aussi les gènes qui codent pour le fimbriae PL. Ces gènes sont très semblables aux gènes présents chez la souche QT598 (environ 98% d’identité avec les différentes sous-unités) à l’exception de l’adhésine PlfG_UMEA-3703-1 qui est différente (environ 45% d’identité avec PlfG_QT598). Ceci nous a permis de les classer en classe I pour PlfG_UMEA-3703-1 et classe II pour PlfG_QT598. Ensuite, nous avons décidé de caractérisé ces nouveaux variants de fimbriae PL puisqu’ils partagent une forte homologie et de comparer leur phénotype. Nous avons, donc, cloner les gènes dans E. coli K-12. Les deux clones étaient capables d’exprimer les fimbriae à leur surface, d’agglutiner différents types d’érythrocytes, de former un biofilm et d’adhérer aux cellules rénales humaines et de la vessie. Lors des essais in vivo, l’absence de l’opéron plf ne semble pas diminuer la capacité des souches QT598 ou UMEA-3703-1 à coloniser la vessie et les reins. Toutefois, la capacité compétitive du mutant était significativement moins importante au niveau des reins de souris CBA/J. Dans l’ensemble, les fimbriae PL représentent un nouveau type de fimbriae qui peut contribuer à l’augmentation de l’adhérence aux cellules de l’hôte.

Bacterial infections caused by extra-intestinal pathogenic Escherichia coli are responsible for many diseases in humans and animals. These pathogens express many virulence factors, like fimbriae and autotransporters, allowing them to colonize host cells. Many functions have been described for these proteins for host colonization and survival. In this thesis, we characterized new virulence factors that are present in the APEC strain QT598. Among them, a P-like (PL) fimbrial system found on a virulence plasmid and three autotransporters of the SPATE family. One of which is on the virulence plasmid (serine-protease hemagglutinin autotransporter, Sha) and the others are found on a pathogenicity island (tandem autotransporter genes, TagB and TagC). The main objective of this study was to characterize these new factors, in particular PL fimbriae and Sha, including their roles in the virulence of ExPEC strains. In the first section, we determined the potential role of Sha by performing in silico analyses. The results have shown that Sha has a typical structure of an AT (signal peptide, passenger domain carrying the active site serine protease and a β domain) with a modified cleavage site. Moreover, we have demonstrated that Sha belongs to class II SPATE with a strong homology to Tsh (66% of identity), TleA (60% of identity) and Vat (54% of identity). Next, in order to determine its role in virulence, we cloned the gene in a non-pathogenic E. coli K-12 strain. We observed two distinct phenotypes. The first was an adhesion phenotype, in which the Sha clone was able to agglutinate different types of blood, form a biofilm, autoaggregate, and adhere to human kidney and bladder cells. The second phenotype was displayed a cytotoxic effect, which was determined on the bladder cells. However, the absence of the sha gene did not reduce the ability of the QT598 strain to colonize the bladder and kidneys during urinary tract infection in CBA/J mice. Only the mutant lacking all five identified SPATEs of the strain showed an impact on the capacity of the QT598 strain to colonize the kidneys. This may suggest the cumulative and/or redundant role of SPATEs in survival and fitness of QT598 strain during urinary tract infections. For the second part, in silico analyses showed us that the PL fimbrial (plf) gene cluster contains 10 genes predicted to encode one regulatory gene (plfB) and 9 structural/assembly (plfA, plfH, plfC, plfD, plfJ, plfK, plfE, plfF and plfG). Furthermore, we identify another variant of PL fimbriae in the UPEC strain UMEA-3703-1 that share identity to equivalent proteins present in the plf gene cluster of QT598 (98% of identity with PlfC). However, the PlfG adhesins of the two strains were very distinct which allowed us to establish new classes: class I for PlfG_UMEA-3703-1 and class II for PlfG_QT598 adhesins. Next, we attempted to characterize these new variants of the PL fimbriae by cloning them into E. coli K-12 strain, which allowed us to observe filamentous structures on the surface of the bacteria. The two clones were able to agglutinate different types of blood, form a biofilm at different temperatures, and adhere to human kidney and bladder cells. In in vivo assays, deletion of the plf operon did not appear to have an impact on the ability of either strain QT598 or UMEA3703-1 to colonize the bladder and kidneys of mice (mono-infection). However, the competitive fitness of the mutant was significantly lower in the kidney of CBA/J mice. Overall, PL fimbriae represent a new type of fimbriae that may contribute to adherence to host cells and tissues.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Dozois, Charles
Mots-clés libres:	APEC; UPEC; SPATEs; Autotransporteurs; Fimbriae PL; Cytotoxicité; Adhésines; Infection du tractus urinaire; Autotransporters; PL Fimbriae; Cytotoxicity; Adhesins; Urinary tract infection
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	01 juill. 2024 14:08
Dernière modification:	01 juill. 2024 14:08
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15763

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