Staphylococcus aureus (S. aureus) est un pathogène humain majeur dont l’impact sur la santé publique est majoré par les phénomènes de résistance et de tolérance aux antibiotiques. Au cours de cette ...thèse, nous avons identifié deux nouveaux systèmes toxine-antitoxine (STA) de type I appartenant au core génome et exprimés par S. aureus nommés sprG2/SprF2, sprG3/SprF3. Ces nouveaux STA sont homologues au STA sprG1/SprF1 localisé dans un îlot de pathogénie. Nous avons montré que des interactions croisées influençant le niveau des ARN sprG et SprF pouvaient avoir lieu entre les STA homologues sprG/SprF, mais que celles-ci n’avaient pas d’impact sur la neutralisation spécifique de chaque toxine SprG par son antitoxine SprF. Nous avons démontré que les peptides encodés par sprG2 et sprG3 sont bactériostatiques, contrairement aux peptides encodés par sprG1 qui sont bactéricides. Nous avons démontré que l’expression des ARN sprG et SprF pouvait varier en réponse à des stress environnementaux comme un stress hyperosmotique ou un stress oxydatif. Pour le STA sprG1/SprF1, nous avons démontré que l’antitoxine SprF1 pourrait participer à l’entrée en persistance de S. aureus, en atténuant la traduction globale via son association aux ribosomes. Ainsi, SprF1 est le premier exemple d’une antitoxine ARN avec une double fonction de neutralisation de la toxine sprG1 via son extrémité 3’ et de fixation aux ribosomes pour atténuer la traduction de S. aureus via son extrémité 5’. Ensemble, ces travaux de thèse suggèrent que les STA sprG/SprF seraient impliqués dans l’adaptation de S. aureus au stress antibiotique ou dans l’échappement au système immunitaire.
Staphylococcus aureus (S. aureus) is a human pathogen that causes nosocomial and community-associated infections. The antibiotic resistance and tolerance of S. aureus increase its impact on public health. During my PhD thesis, we identified two novel type I toxin-antitoxin systems (TAS) located in the core genome and expressed in S. aureus named sprG2/SprF2 and sprG3/SprF3. These TAS are homologues of the sprG1/SprF1 TAS, encoded in a pathogenicity island. We showed that cross-interactions affecting sprG and SprF RNA level can occur between sprG/SprF homologous TAS, but without any impact on the specific neutralization of a sprG toxin by its SprF antitoxin. We demonstrated that overexpression of sprG2- and sprG3-encoded peptide induce bacteriostasis, as opposed to the sprG1-encoded peptides that induced S. aureus death. We showed that sprG and SprF RNA levels can be modulated by environmental triggers such as hyperosmotic and oxidative stresses. Concerning sprG1/SprF1, we demonstrated in S. aureus strain N315 that the SprF1 antitoxin could be involved in persister cells formation, by a translation attenuation mechanism via its association with the ribosomes. SprF1 is the first example of an untranslated RNA antitoxin with a dual function that neutralize sprG1 toxin and that bind to ribosome to attenuate S. aureus translation. Altogether, these thesis experiments suggest an involvement of the sprG/SprF TAS in S. aureus adaptation to antibiotic stress or in the escape of the immune system.
Les systèmes toxine-antitoxine (STA) sont généralement constitués de deux petites protéines cytoplasmiques : une toxine stable et une antitoxine instable capable de neutraliser la toxine et de ...réprimer l’expression de l’opéron toxine-antitoxine. Une étude menée au laboratoire avait mis en évidence que la perte du gène hicB3 (ypo3369) de Y. pestis, codant une antitoxine solitaire putative, entraine un retard de la croissance bactérienne in vitro et une atténuation de la virulence dans un modèle murin de peste bubonique (Pradel et al., 2014). Par analyse in silico, nous avons détecté, en amont de hicB3, un petit gène non annoté candidat pour coder la toxine HicA3. La surproduction de HicA3 provoque la bactériostase chez Escherichia coli et Y. pestis et la production subséquente de HicB3 restaure la croissance. HicA3 et HicB3 constituent donc un STA fonctionnel. Cependant, la perte du STA HicA3B3 n’affecte pas la virulence de Y. pestis dans un modèle murin de peste bubonique. Nous avons ensuite purifié et caractérisé les protéines HicA3 et HicB3. La toxine HicA3 est une ribonucléase monomérique de 66 aa qui comporte un résidu histidine catalytique essentiel pour son activité. L’antitoxine HicB3 a une double fonction : elle interagit avec HicA3 pour la neutraliser et elle réprime le promoteur de l’opéron hicA3B3. Des expériences de retard sur gel et de fusions transcriptionnelles avec un gène rapporteur ont révélé que l’antitoxine HicB3 et le complexe HicA3-HicB3 se fixent sur deux opérateurs chevauchant les boîtes -10 et -35 du promoteur PhicA3. Nous avons également résolu la structure cristalline de l’antitoxine HicB3 et celle du complexe HicA3-HicB3. HicB3 est un tétramère qui comporte deux domaines de fixation à l’ADN du type ruban-hélice-hélice et deux domaines de neutralisation de la toxine.
Toxin-antitoxin systems (TAS) are generally constituted by two small cytoplasmic proteins: a stable toxin and an unstable antitoxin which neutralizes the toxin and represses the expression of the toxin-antitoxin operon. In previous research, our lab found that Yersinia pestis lacking the hicB3 (ypo3369) gene, encoding a putative orphan antitoxin, has a growth defect in vitro and is attenuated for virulence in a murine model of bubonic plague (Pradel et al., 2014). In silico analysis revealed a small gene upstream of hicB3, encoding a putative toxin that we called HicA3. HicA3 overproduction generates bacteriostasis of Escherichia coli and Y. pestis, and the subsequent production of HicB3 restores cell growth. HicA3 and HicB3 thus constitute a functional TAS. However, the lack of the HicA3B3 TAS does not affect Y. pestis virulence in a murine model of bubonic plague. We then purified and characterized the HicA3 and HicB3 proteins. The HicA3 toxin is a monomeric 66-aa ribonuclease with a catalytic histidine residue required for its activity. The HicB3 antitoxin has two functions: it binds and neutralizes HicA3 and it represses the hicA3B3 operon promoter. Gel-shift assays and transcriptional reporter fusion experiments showed that both HicB3 and the HicA3-HicB3 complex bind to two operators overlapping the -10 and -35 boxes of the PhicA3 promoter. We also solved the crystal structures of the HicB3 antitoxin and the HicA3-HicB3 complex. HicB3 is a tetramer with two DNA binding domains of the ribbon-helix-helix type and two toxin neutralization domains.
Staphylococcus aureus, est un pathogène humain majeur responsable d’infections nosocomiales et communautaires. Avec l’utilisation excessive des antibactériens, l’incidence et l’émergence de souches ...de S. aureus multi-résistantes aux antibiotiques ont augmenté rapidement depuis plusieurs années et constituent un véritable problème de santé publique. Le succès de S. aureus en tant que pathogène est lié à sa capacité à s’adapter rapidement à un nouvel environnement et à produire un arsenal de facteurs de virulence dont l’expression fait intervenir des protéines mais également des ARN régulateurs (ARNrég). Au cours de cette thèse, nous avons montré que les ARNrég sprG1 et SprF1 constitue un système toxine-antitoxine (STA) de type I fonctionnel où sprG1 code pour deux peptides toxiques. En condition normale de croissance, l’expression de la toxine est régulée par l’antitoxine SprF1 au niveau transcriptionnel et/ou post-transcriptionnel et traductionnel, permettant au pathogène S. aureus de croître normalement. En revanche, lorsque la bactérie est confrontée à une carence nutritive globale, l’expression de l’antitoxine est réprimée, laissant ainsi la toxine sprG1 s’accumuler dans la cellule et traduire les peptides toxiques PepG144 et PepG131, responsables de la stase bactérienne. Les deux peptides sécrétés sont capables de lyser les bactéries compétitrices présentes dans le milieu et les érythrocytes humains. Nous avons également montré, qu’en condition de stress hyperosmotique, SprF1 fixe directement les ribosomes, probablement par l’intermédiaire d’un ou de deux sites de fixation aux ribosomes, afin de réguler la synthèse protéique globale et de favoriser la persistance de S. aureus. Ces résultats montrent que SprF1 appartient à une nouvelle classe émergente d’ARNrég régulant la traduction par fixation directe sur le ribosome. Le STA sprG1/SprF1 est le premier exemple de STA de type I où l’antitoxine est le principal acteur de la fonction biologique.
Staphylococcus aureus is a major human pathogen responsible for nosocomial and community-acquired diseases. With the excessive use of antibiotics, incidence and emergence of multidrug-resistant strains of S. aureus have rapidly increased over the last decade and constitute a serious public health concern. The success of S. aureus as a pathogen is due to its ability to adapt quickly to new environment and to produce an arsenal of virulence factors whose expressions are regulated by proteins and regulatory RNA (regRNA). During my PhD thesis, we showed that RNAs sprG1 and SprF1 constitute a functional type I toxin-antitoxin system (TAS) where sprG1 encodes two toxic peptides. During normal growth conditions, toxin expression is regulated by the antitoxin SprF1 at transcriptional and/or post-transcriptional and translational level, allowing the pathogen to grow. Conversaly, when bacteria are confronted to global nutritive starvation, the antitoxin expression is repressed. This allows accumulation of the sprG1 toxin in cell and translation of both toxic peptides, PepG144 and PepG131, responsible for bacterial stasis. Interestingly, both secreted peptides are able to lyse competitor bacteria in the medium and human erythrocytes. We also showed that upon hyperosmotic stress, SprF1 directly binds ribosomes, probably though one or two ribosome-binding sites, to regulate overall protein synthesis and promote S. aureus persistence. These results suggest that SprF1 belongs to the new emerging class of regRNA regulating translation by direct ribosome-binding. The sprG1/SprF1 TAS is the first example of type I TAS where antitoxin is the leading player of the biological function.
Les métallo-b-lactamases (MBL) acquises constituent une menace sanitaire par risqué d’impasse thérapeutique dans les infections causées par les bacilles à Gram négatif, en particulier lorsque ces ...bactéries produisent une b-lactamase à spectre étendu (BLSE). La MBL VIM-1 est une carbapénémase qui hydrolyse toutes les β-lactamines, à l’exception des monobactames. Cette enzyme a émergé en Grèce où elle est désormais endémique chez les entérobactéries. Six souches de bacilles à Gram négatif produisant une carbapénémase ont été isolées chez un même patient qui avait été rapatrié de Grèce. Trois de ces souches, Providencia stuartii (Ps), Proteus mirabilis (Pm) et Escherichia coli (Ec), produisaient la MBL VIM-1 et la BLSE SHV-5. Dans chacune de ces trois souches, les gènes blaVIM-1 et blaSHV-5 étaient portés par un plasmide transférable par conjugaison in vitro. Les plasmides extraits des transconjugants présentaient le même profil de restriction et portaient un intégron de classe 1 identique dans lequel le gène blaVIM-1 était intégré. Nous avons émis l’hypothèse qu’un plasmide codant pour VIM-1 et SHV-5 avait été transféré de la souche Ps vers les souches Pm et Ec dans le tube digestif du patient et avons reproduit ce transfert in vivo dans un modèle de souris gnotoxéniques. Au cours de cette expérience, le plasmide codant pour VIM-1 et SHV-5 a été transféré avec succès de la souche Ps vers la souche réceptrice E. coli J53, en dehors de toute pression de sélection par les antibiotiques. Nous avons ensuite analysé la séquence complète du plasmide pTC2 extrait d’un transconjugant obtenu par conjugaion in vivo. Ce plasmide de type co-intégrat (IncA/C, IncR) de 180kb possédait un squelette de type IncA/C et une région de multirésistance (MDR1) au sein de laquelle était intégré un fragment de type IncR de 13kb. L’analyse de cette séquence nous a permis d’identifier un système de transfert de type IncA/C complet et intact et différents types de systèmes de maintien, à la fois au sein du squelette IncA/C et au sein du fragment IncR. La région mosaïque MDR1 contenait neuf séquences d’insertion (sept copies de l’IS26, une IS1 et une IS6100), 10 gènes de résistance aux antibiotiques et l’opéron mer de résistance au mercure qui étaient intégrés dans des transposons unitaires, des transposons composites ou des intégrons. Le plasmide pTC2 cumule des propriétés qui font de lui un véhicule performant de la résistance aux antibiotiques : un large spectre d’hôte, de bonnes capacités de transfert, de bonnes capacités de maintien dans une population bactérienne, une grande plasticité de sa région MDR1 et une grande variété de gènes de résistance.
Acquired metallo-b-lactamases (MBLs) represent a threat for the treatment of infections caused by Gram-negative bacteria, particularly by enterobacteria that already produce extended-spectrum b-lactamases (ESBL). VIM-1 MBL, which is a carbapenemase that can hydrolyze all classes of β-lactam antibiotics except monobactams, has emerged in Greece and is now commonly found in Enterobacteriaeae. Six carbapenemase-producing strains of Gram-negative bacilli were isolated from a unique patient transferred from Greece to a French hospital. Three of these strains, Providencia stuartii (Ps), Proteus mirabilis (Pm) and Escherichia coli (Ec) strains, were shown to produce the MBL VIM-1 and the ESBL SHV-5. In each of these three strains, the blaVIM-1 gene was carried by a plasmid transferable by in vitro conjugation. The plasmids extracted from the transconjugants displayed a unique restriction profile and harboured identical VIM-1-containing class 1 integrons. Considering the hypothesis that this VIM-1 plasmid had probably been transferred from the Ps strain to the Ec and Pm strains, we performed in vivo conjugation assays in the digestive tract of gnotobiotic mice colonized with E. coli J53, to demonstrate that the VIM-1 plasmid harboured by strain Ps was transferable in vivo, in absence of antibiotic pressure. We determined the complete nucleotide sequence of the VIM-1-encoding plasmid pTC2, which was isolated in a Greek Providencia stuartii multiresistant strain. This 180-kb plasmid was found to be a multireplicon plasmid (IncA/C, IncR), with a large IncA/C backbone and a mosaic multidrug resistance (MDR1) region, in which was inserted a 13-kb IncR fragment. A CD-search-based annotation of the plasmid allowed the identification of a complete IncA/C-type transfer system and of several putative maintenance modules, either on the IncA/C backbone, and on the IncR fragment. The complex MDR1 region contained nine insertion sequences (seven copies of the IS26, one IS1 and one IS6100), 10 resistance genes and a mercury resistance operon integrated either into unit transposons, composite transposons or integrons. The broad-host range, the transfer capacities, the stability, the high plasticity of the MDR1 region combined to the variety of resistance genes make pTC2 a superspreader of resistance determinants.
