Exemples de système AHL de QS

Un grand nombre de bactéries Gram- communiquent avec des signaux AHLs (LaSarre and Federle, 2013). Dans les paragraphes ci-après, deux exemples présentant le cas de V.

2.3.1.4.1 Cas de V. fischeri :

Le premier système de communication utilisant des AHLs a été découvert en 1970 par Nealson et al (Nealson et al., 1970) chez la bactérie marine V. fischeri. Ce système basé sur l’émission de la bioluminescence d’une manière densité cellulaire dépendante est considéré comme le paradigme du QS chez la plupart des bactéries Gram- (Nealson and Hastings, 1979).

Chez V. fischeri, l’auto-inducteur est la 3-oxo-hexanoyl-L-homosérine lactone (3-oxo-C6-HSL) (Figure 6) (Eberhard et al., 1981), qui est synthétisé par LuxI et diffuse passivement à travers la membrane cellulaire des bactéries jusqu’à qu’il atteigne à forte densité cellulaire une concertation seuil qui lui permette d’être détecté par son récepteur, le régulateur transcriptionnel, LuxR.

Figure 6. Structure de la 3-oxo-C6-HSL.

LuxR est un polypeptide de 250 acides aminés constitué de deux domaines. Le domaine Nt contenant le site de liaison de 3-oxo-C6-HSL et le domaine Ct contenant le site de liaison à l’ADN (Egland and Greenberg, 1999). En absence de 3-oxo-C6-HSL, le domaine Nt bloque l’activité du domaine Ct, ce qui empêche la liaison de LuxR à l’ADN. La liaison de 3-oxo-C6-HSL au domaine Nt induit un changement de conformation de LuxR. Le domaine Ct devient actif, ce qui permet au complexe 3-oxo-C6-HSL-LuxR d’activer la transcription du gène luxI et des gènes qui codent pour la bioluminescence (luxICDABE) en se fixant sur 20 paires de bases inversement répétées du promoteur appelé lux-box (Kaplan et Greenberg, 1985) (Figure 7). D’autres gènes sous le contrôle du complexe 3-oxo-C6-HSL-LuxR ont été identifiés par Antunes et al (Antunes et al., 2007). Ces gènes semblent être necessaires à la vie en symbiose de cette bactérie avec Euprymna scolopes. En effet, la souche V. fischeri ES114 mutée au niveau de luxR a montré une colonisation réduite d’Euprymna scolopes in

vitro (Visick et al., 2000). Selon Antunes et al le complexe 3-oxo-C6-HSL-LuxR pourrait activer des gènes codant des protéases et des peptidases impliquées dans l’acquisition des nutriments pour V. fischeri pendant la vie en symbiose. Ce complexe pourrait activer également un gène codant une adhésine facilitant la colonisation des organes du calmar E.

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Figure 7. Mécanisme de QS chez V. fischeri.

Le complexe AHL-LuxR active par sa liaison au promoteur connu sous le nom de lux box la transcription des gènes luxR (récepteur AHL), luxI (synthase AHL) et l’opéron lux (luxCDABE, bioluminescence).

A noter qu’il exsiste chez V. fischeri un deuxième auto-inducteur appartenant à la famille d’AHL, il s’agit de C8-HSL synthétisée par AinS, une protéine homologue au LuxM. C8-HSL est detectée par AinR, un récepteur membranaire histidine kinase homologue au LuxN (Kimbrough and Stabb, 2013). La transduction du signal C8-HSL par LuxN se fait à travers quatres protéines. Une protéine cytoplasmique LuxU, une protéine régulatrice LuxO, une protéine chaperone Hfq et un régulateur de réponse LitR (Kimbrough and Stabb, 2017). À faible concentration de C8-HSL, LuxN fonctionne comme une kinase et phosphryle alors LuxU. Ce dernier transfère le phosphate à la protéine régulatrice LuxO. La protéine LuxO phosphorylée, une fois en interaction avec le facteur de transcription sigma-54, active la transcription de gènes qui codent pour des ARNs (Qrr). Ces ARNs, avec la protéine chaperonne Hfq, déstabilisent l’ARNm qui code la protéine LitR, activateur de la transcription du LuxR, récepteur de 3-oxo-C6-HSL (Figure 8). Cependant, à forte concentration de C8-HSL, LuxN fonctionne comme une phosphatase. Dans ce cas, LuxO est inactif, ce qui permet la transcription de la protéine LuxR. LuxR en liaison avec le 3-oxo-C6-HSL permet l’expression de l’opéron lux (luxICDABE), ce qui se traduit par l’expression de la bioluminescence chez V. fischeri (Figure 8) (Kimbrough and Stabb, 2013).

Figure 8. Modèle de la transduction du signal C8-HSL par LuxN chez V. fischeri.

À faible concentration de C8-HSL, LuxN fonctionne comme une kinase ce qui amène à une inhibition de la synthèse de LuxR. À forte concentration de C8-HSL, LuxN agit comme une phosphatase, ce qui se traduit par l’expression de LuxR. LuxR en liaison avec l’AHL permet l’expression de la bioluminescence chez V. fischeri. Les flèches plus épaisses indiquent les voies actives dans les deux cas (Kimbrough and Stabb, 2013).

Bien que le système Ain soit moins étudié que le système Lux chez V. fischeri, il a été demontré que C8-HSL est capable de se lier au récepteur LuxR et active alors la bioluminescence mais avec un niveau moins élevé que la 3-oxo-C6-HSL (Lupp et al., 2003; Lupp and Ruby, 2004). Le signal C8-HSL agit sur la bioluminescence à travers LuxR soit par l’activation de son expression soit par en le protégeant de la protéolyse (comme c’est noté plus haut, sans AHL, le récepteur LuxR est instable et se dégrade rapidement, alors que la fixation d’AHL le protège contre la protéolyse) (Lupp and Ruby, 2004). Lupp et al ont montré que l’expression de deux systèmes Ain et Lux est nécessaire à l’induction maximale de l’opéron lux, et donc de la bioluminescence de V. fischeri (Lupp et al., 2003).

En plus de la bioluminescence, d’autres processus régulés par le système Ain ont été identifiés chez V. fischeri comme la mobilité et le métabolisme cellulaire (Lupp and Ruby, 2005). Lupp et Ruby ont déterminé en 2005 que l’expression de 30 gènes différents chez V.

fischeri, sous le contrôle du système Ain impliquant la transcription de plusieurs gènes codant

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flgD), peut être inhibée par ce système (Lupp and Ruby, 2005). De plus, une mutation au niveau du système Ain réduit la colonisation d’E. scolops par V. fischeri (Lupp et al., 2003). Ceci peut être expliqué par le fait que l’expression des gènes codant pour des enzymes impliquées dans le métabolisme cellulaire et dans l’adaptation à des conditions envirennementales spécifiques est activée par le signal C8-HSL, tel que VFA0452 et VFA0806 codant respectivement des enzymes impliquées dans le métabolisme d’histidine et dans la synthèse de polysaccharides (Lupp and Ruby, 2005; Studer et al., 2008).

2.3.1.4.2 Cas de Pseudomonas aeruginosa

P. aeruginosa est une bactérie Gram- qui est retrouvée à la fois dans l’eau et dans le

sol. C’est une bactérie pathogène opportuniste de l’Homme, des animaux et des plantes. Elle possède des systèmes QS qui sont bien caractérisés et bien étudiés, ce qui lui confère un rôle de modèle parmi les bactéries ayant plusieurs systèmes QS ou plusieurs molécules signal.

Le QS chez cette bactérie joue un rôle très important dans la régulation des gènes impliqués dans la résistance aux antibiotiques, la formation du biofilm et la synthèse des facteurs de virulence comme les exoprotéases, les lipases et les sidérophores (Parsek and Greenberg, 2000). L’inhibition du QS chez P. aeruginosa induit alors une diminution de sa pathogénicité (Rajesh and Ravishankar Rai, 2014; Rajesh and Rai, 2016).

Le QS chez P. aeruginosa est un réseau de régulation complexe composé de trois types des signaux/récepteurs distincts qui fonctionnent d’une manière hiérarchique (Figure 9).

P. aeruginosa a deux paires d'homologues LuxI/LuxR. Il s’agit de LasI/LasR et de RhlI/RhlR,

qui produisent et détectent respectivement la 3-oxo-C12-HSL et la C4-HSL. Le complexe LasR-3-oxo-C12-HSL induit l'expression d’un certain nombre de gènes de virulence (Pearson

et al., 1994) dont le gène lasB codant l’élastase qui cause des dommages tissulaires pendant l’infection ainsi que les gènes lasI, rhlI et rhlR codant respectivement la synthase de 3-oxo-C12-HSL (LasI), la synthase (RhlI) et le récepteur (RhlR) de la C4-HSL. Ces différents gènes cibles seraient activés par différentes concentrations de 3-oxo-C12-HSL(Seed et al., 1995). Le complexe RhlR-C4-HSL intervient sur sa propre auto-induction mais n'a aucun effet direct sur le système Las. En fait, il est impliqué dans l’activation de l’expression d’une autre classe de gènes de virulence tels que les rhamnolipides et la pyocyanine (Pearson et al., 1997). En outre, LasR et RhlR, régulent respectivement d’une manière positive et négative l'expression de gènes impliqués dans le troisième système QS qui est peu étudié par rapport aux deux autres et qui repose sur l’auto-inducteur appartenant à la famille des Quinolones :

2-hepthyl-3-hydroxy-4-quinolone (Pseudomonas aeruginosa quinolone signal : PQS). Après sa liaison avec son récepteur PqsR qui est aussi un facteur transcriptionnel, le signal PQS permet l’activation de la transcription de nombreux gènes impliqués dans la virulence dont ceux des opérons pqsABCD et pqsH codant pour les enzymes impliqués dans la synthèse de PQS (rétrocontrôle positif) ainsi que le gène rhlR formant cette fois une boucle de rétroaction négative (Lee and Zhang, 2015) et le gène lecA impliqué dans la synthèse de lectine qui induit des lésions pulmonaires aiguës (Dubern and Diggle, 2008). De plus, il existe chez P.

aeruginosa une protéine de type luxR-solo (expliqué dans la paragraphe ci-dessous), QscR

qui peut se lier à la 3-oxo-C12-HSL et inhibe ensuite les systèmes d’AHLs par de multiples mécanismes (Dubern and Diggle, 2008) (Nadal Jimenez et al., 2012).

Figure 9. Les différents systèmes de QS chez Pseudomonas aeuruginosa (LaSarre and Federle, 2013).

P. aeruginosa possède trois systèmes QS : Las, Rhl et PQS. Dans le système Las, un récepteur LasR est activé

par l’AHL 3-oxo-C12-HSL, synthétisée par LasI et le complexe active les systèmes Las, PQS et Rhl. PQS se lie à son récepteur PqsR, et le complexe régule les systèmes PQS et Rhl. Le système Rhl se compose de RhlR et de son signal C4-HSL, synthétisé par RhlI. Le complexe C4-HSL/RhlR s’auto-régule positivement et régule négativement le système PQS. Ces 3 systèmes de QS contrôlent la production d'une gamme de facteurs de virulence et l’expression de comportements variés.