L’opéron HMQabcdefg et sa régulation, impliqués dans la biosynthèse des 4- hydroxy-3-méthyl-2-alkylquinolines chez le complexe Burkholderia cepacia

Coulon, Pauline (2021). L’opéron HMQabcdefg et sa régulation, impliqués dans la biosynthèse des 4- hydroxy-3-méthyl-2-alkylquinolines chez le complexe Burkholderia cepacia Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 240 p.

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Résumé

La communication intercellulaire chez les bactéries, souvent nommée quorum sensing (QS), permet la modulation de l’expression de gènes impliqués dans la survie et l’interaction avec un hôte en réponse à la densité de la population. Chez les bactéries appartenant au complexe des Burkholderia cepacia (Bcc), de multiples systèmes de QS sont prédits, cependant notre compréhension reste incomplète. Le groupe de Bcc est composé de plus de 26 espèces environnementales dont certaines sont des pathogènes opportunistes majoritairement retrouvés chez les patients immunodéprimés et chez les individus atteints de fibrose kystique.

Mon projet de doctorat portait sur la caractérisation du système Hmq, responsable pour la synthèse d’une famille de molécules de la famille des 4-hydroxy-3-méthyl-2-alkylquinolines (HMAQs) prédites pour agir comme molécules de signalisation chez certaines Bcc. Même si le système Hmq n’appartient pas au QS, il existe un lien étroit entre le QS et le système Hmq. En effet, les HMAQs inhibent le QS et le QS active le système Hmq chez les Bcc. Le rôle primaire des HMAQs restant à être déterminé, j’ai montré que les HMAQs synthétiques ont un effet antifongique contre les levures et champignons et que les NOHMAQs synthétiques ont une activité antimicrobienne plus forte contre les bactéries à Gram positif. En ce qui concerne la prévalence du système Hmq chez les Bcc évaluée par analyses bioinformatiques et expérimentalement, j’ai montré que 1/3 des Bcc possèdent le système Hmq transmis horizontalement. En criblant par PCR – et en quantifiant la production de HMAQs par LC-MS chez une collection de 312 souches, j’ai montré que le système Hmq est plus prévalent chez les souches environnementales que les souches cliniques. Les Bcc Burkholderia cenocepacia et B. multivorans – pathogènes opportunistes prédominants – ne possèdent pas le système Hmq alors que cet opéron est couramment trouvé chez B. ambifaria, B. cepacia et B. contaminans – espèces environnementales et pathogènes opportunistes émergents. En étudiant l’effet du système Hmq sur la croissance du pois, Pisum sativum, j’ai montré que le système Hmq qui augmente la croissance de racines, soit en utilisant directement les HMAQs comme antimicrobien en modulant la rhizosphère soit indirectement, via le QS en contrôlant différents antimicrobiens, en contrôlant des gènes impliqués dans la nodulation des plantes ou bien encore en favorisant la croissance des racines en présence de nitrate.

Les Bcc modulent leur virulence soit par la variation de phase en régulant l’expression des gènes (variants), soit en éliminant leur mégaplasmide de virulence (pc3-null). En étudiant les protéomes des deux types de variants chez B. ambifaria, j’ai montré que les gènes codants pour les principaux facteurs de virulence et localisés sur le pc3 sont sous-exprimés. Chez B. ambifaria CEP0996 pc3-null (ayant perdu son pc3), les différences phénotypiques observées dont la formation de biofilm, la motilité, la production de sidérophores semblent être liées à la perte du régulateur transcriptionnel ShvR appartenant à la famille LysR et contrôlant plus de 1000 gènes, dont 13 en commun avec le QS, et codant pour des facteurs de virulence tels que la formation de biofilm, la motilité et les molécules antimicrobiennes dont potentiellement les HMAQs. Chez le variant de B. ambifaria HSJ1, aucune variation de production de AHLs et changements génomiques n’ont été observés. La méthylation de l’ADN pouvant être impliquée dans la variation de phase, en modulant l’expression génique, j’ai étudié les méthylomes de B. ambifaria HSJ1 sauvage et variant et montré que le variant est plus méthylé que la souche sauvage. Ce résultat indique que la méthylation de l’ADN pourrait être le mécanisme sous-jacent de la sous expression des différents groupes de gènes détectés par analyse protéomique dont celui codant pour le régulateur transcriptionnel ShvR.

Quorum sensing (QS), the modulation of gene expression in response to cell-population density, has a crucial role in survival and bacterial pathogenesis. Within the Burkholderia cepacia complex (Bcc), multiple QS systems have been predicted, yet our understanding of these is still incomplete. Bcc comprises at least 26 environmental species, some of which are opportunist pathogens and are found within immunosuppressed patients and people suffering from cystic fibrosis (CF).

My Ph.D. project focused on characterizing the Hmq system, a homolog of the P. aeruginosa PQS system, which we predicted would produce the signaling molecules 4-hydroxy-3-methyl-2-alkylquinolines (HMAQs) to regulate virulence in Bcc. The Hmq system is not a QS system per se but rather a system with to and for interplay. The HMAQs inhibit the QS while the QS activates the Hmq system within Bcc. The primary role of the Hmq system is still unknown. However, I have demonstrated that synthetics HMAQs and HMAQNOs have an antimicrobial property against fungi for HMAQs and bacteria and fungi for HMAQNOs with a higher efficiency against Grampositive bacteria. By assessing the Hmq pathway conservation using bioinformatics analysis and experimentally, I found 1/3 of Bcc possesses this Hmq system. By screening 312 Bcc strains - by PCR - and quantifying the HMAQs produced using LC-MS under different conditions, I have shown that the Hmq system is more prevalent in environmental isolates than clinical ones. Interestingly, B. cenocepacia and B. multivorans lack the Hmq system, while emerging opportunist species such as B. ambifaria, B. cepacia, and B. contaminans are the principal carriers. By investigating the effect of the Hmq system on plant growth-promoting, I showed that the Hmq system plays a role in root growth promotion in Pisum sativum by (1) potentially using HMAQs as antimicrobial molecules to modulate the rhizosphere or (2) modulating the main Cep QS system resulting in modulating different virulence factors such as other antimicrobial molecules, by controling genes involved in the plant nodulation or by favorizing the growth of roots in presence of nitrates.

Bcc modulate virulence by producing variant colonies through phase variation that regulates gene expression (variant) and genomic variation by ejecting their third chromosome or megaplasmid (pc3-null). By investigating the proteomes of two B. ambifaria model strains focusing upon genes encoding the main virulence factors located on the pc3. I found they are downregulated in both variants. In B. ambifaria CEP0996 pc3-null (variant having lost its pc3), observed phenotypes such as biofilm formation, motility, and siderophore production, seen to link the loss of the LysR family transcriptional regulator ShvR, known to control over 1000 genes (13 common genes with the QS system) and virulence factors in B. cenocepacia – resulting in differences in phenotypes such siderophores, motility, antimicrobial molecules such as HMAQs. Concerning the B. ambifaria HSJ1 variant, I have demonstrated that the difference in observed phenotypes between B. ambifaria HSJ1 wildtype and variant is not due to a difference in genomes or acyl-homoserine lactones (AHLs) production. DNA methylation being involved in bacterial phase variation by regulating gene expression, I have studied methylomes and showed that B. ambifaria HSJ1 variant is more methylated than the wild type. This result suggests that DNA methylation could be involved in phase variation by regulating virulence factors (for which a difference in the production of proteins was observed by proteomics analysis) mainly by modulating the transcriptional expression of shvR.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Déziel, Éric
Mots-clés libres:	complexe des Burkholderia cepacia; système Hmq; 4-hydroxy-3-méthyl-2-alkylquinolines (HMAQs); quorum sensing; promotion de la croissance des plantes; variation de phase; méthylation de l’ADN; virulence; Burkholderia cepacia complex; Hmq system; 4-hydroxy-3-methyl-2-alkylquinolines (HMAQs), quorum sensing; plant growth promoting; phase variation; DNA methylation
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	09 juill. 2024 15:22
Dernière modification:	09 juill. 2024 15:22
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15828

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