Porphyromonas gingivalis

P. gingivalis est une espèce bactérienne dominante de la flore cultivable de la poche parodontale en phase active de destruction [7]. En effet, de nombreuses études ont démontré que ce membre du complexe rouge est une espèce d’importance, tant en prévalence qu’en nombre, dans la plupart des lésions des parodontites chez l’adulte, et plus spécifiquement la forme chronique, tandis que ce dernier ne se retrouve pas, ou en très faibles proportions chez un individu sain [115].

19 P. gingivalis est un coccobacille non-motile à Gram négatif, asaccharolytique et anaérobie strict, mesurant approximativement 1 µm de diamètre par 2 µm de long [7, 113]. Lorsque cultivée sur gélose sang enrichie d’hémine et de vitamine K, cette bactérie se caractérise par la formation de colonies à pigmentation noire. Cette particularité résulte de l’accumulation au niveau de la membrane bactérienne, d’un pigment identifié comme le fer (III) protoporphyrine IX sous la forme µ-oxo dimère [Fe(III)PPIX]2O dérivant de l’hémine (fer) contenue dans le milieu de culture [116-119].

Ce parodontopathogène est le microorganisme le plus intensément étudié d’un point de vue moléculaire et sa pathogénicité est attribuée à un ensemble de facteurs de virulence, dont la capsule, les fimbriae, les enzymes protéolytiques (cystéines protéinases; gingipaïnes), les hémagglutinines, le lipopolysaccharide (LPS) ainsi que les vésicules membranaires [7, 113, 116, 120-122]. Bien que la coopération bactérienne soit importante dans le déclenchement et la progression de la parodontite [123], les facteurs de virulence propres à P. gingivalis lui permettent de coloniser les sites sous- gingivaux, de contourner les mécanismes de défense immunitaire et d’engendrer la destruction tissulaire et osseuse caractéristique de la parodontite.

En plus d’être un contributeur prédominant dans le processus infectieux des maladies parodontales, P. gingivalis est également impliqué dans diverses conditions systémiques, notamment les maladies cardiaques (athérosclérose, ACV), le diabète, les pneumonies d’aspiration, les accouchements prématurés d’enfants de faible poids à la naissance ainsi que l’arthrite rhumatoïde [72, 76, 120, 124- 133].

1.3.3.1.1.1 Facteurs de virulence de Porphyromonas gingivalis 1.3.3.1.1.1.1 Capsule

Lorsqu’un agent pathogène s’introduit dans l’organisme, le système immunitaire répond à cette nouvelle infection de deux manières; soit par la détection et la reconnaissance de cet organisme invasif, suivie de la destruction de celui-ci par une réponse immunitaire très complexe et élaborée.

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La surface des microorganismes pathogènes constitue l’interface centrale entre l’hôte et la bactérie pathogène, et la reconnaissance de diverses composantes de surface (LPS, peptidoglycane, ADN bactérien [134]) par le système immunitaire est essentielle pour initier les processus d’élimination de cette dernière [135]. La stratégie la plus efficace employée par les bactéries parodontopathogènes afin d’éviter leur reconnaissance par les cellules de l’hôte [136], tout en exposant des molécules clés dans le processus d’invasion (adhésines, invasines) est d’empêcher la reconnaissance des motifs moléculaires associés aux pathogènes (PAMPs) se retrouvant à leur surface [135, 137, 138]. Pour ce faire, de nombreuses bactéries buccales Gram négatives telle que P. gingivalis possède une capsule de polysaccharides chargée négativement et hydrophile [139] recouvrant sa membrane externe, et dont la synthèse est modulée par divers facteurs environnementaux [140-142]. La capsule de ce microorganisme a été démontrée comme un important facteur dans l’établissement d’infections expérimentales, plus particulièrement dans un modèle murin [139, 142, 143]. Dans la littérature actuelle, six sérotypes capsulaires distincts (K1- K6) du point de vue de la composition de la capsule et de la virulence sont actuellement décrits [7, 139, 142, 144]. La capsule est considérée comme un facteur de virulence important puisque celle-ci permet à la bactérie de résister à l’action de diverses substances présentes dans la salive (lysozyme, ions métalliques toxiques) [145], tout en prévenant le dépôt des anticorps et des protéines du complément sur leur surface, leur permettant ainsi d’échapper à l’opsonisation et à la phagocytose qui en résulte (activation innée des défenses adaptatives) [135, 136, 142]. Réduisant la capacité des cellules effectrices de l’hôte à avoir accès aux bactéries invasives, les mécanismes de défenses contre ces bactéries encapsulées doivent être accrus.

1.3.3.1.1.1.2 Fimbriae

De nombreuses études épidémiologiques ont suggéré que P. gingivalis est un acteur important dans le déclenchement et la progression des maladies parodontales [108, 146, 147]. Bien que les mécanismes pathogéniques impliqués ne soient pas encore entièrement élucidés, l’adhésion bactérienne et la colonisation subséquente des tissus de l’hôte sont des étapes cruciales afin que la bactérie puisse exercer son pouvoir pathogène. Les fimbriae, des filaments longs et fins organisés de façon péritriche à la surface de la bactérie, ont été reconnus pour exercer ces fonctions [121, 148-150].

21 À ce jour, les fimbriae sont considérés comme des facteurs essentiels intervenant dans les interactions bactériennes avec les cellules de l’hôte et l’invasion des tissus.

Des examens ultrastructuraux des différentes souches de P. gingivalis ont montré que ces structures varient entre 0,3 à 3 µm de long et 5 nm de diamètre [121, 149-152]. Dans la littérature, il a été démontré que P. gingivalis exprime à sa surface deux types de fimbriae distincts; les fimbriae majeurs de type 1 (FimA; longs), ainsi que les fimbriae mineurs (Mfa; courts). Tous deux semblent impliqués dans le développement des maladies parodontales [147, 149, 153, 154]. Les fimbriae majeurs de type 1 (FimA) sont constitués d’une juxtaposition de sous-unités d’une protéine, la fimbrilline, cette dernière étant sous le contrôle du gène fimA [7, 149, 155], présent qu’en un seul exemplaire sur le chromosome de la bactérie [149, 156-158]. En se basant sur la variation de la séquence nucléotidique, le gène a été classé en six types (I, Ib, II, III, IV, V) [147, 149, 156, 159-162]. Il a été suggéré que les fimbriae majeurs, dus à leur longueur, sont les premières composantes bactériennes à interagir autant avec les autres espèces bactériennes que les cellules de l’hôte dans les sites sous-gingivaux [163]. Ces interactions de coagrégation/coadhésion sont possibles par l’intermédiaire de différents récepteurs présents sur la surface bactérienne, dont la glycéraldéhyde -3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) chez certains streptocoques ainsi que la dentilisine de T. denticola [149, 155].

Les fimbriae mineurs sont des homopolymères provenant du gène mfa1 codant pour la sous-unité protéique Mfa [7, 149, 155]. Ce type de fimbriae permet également la coadhésion aux bactéries déjà présentes [149, 164-167].

Les fimbriae, en plus d’être responsables des propriétés adhésives de ce microorganisme et de médier l’adhérence de celui-ci à une grande variété de molécules et substrats au niveau de la cavité buccale [168], stimulent diverses cellules de l’hôte (cellules épithéliales, monocytes) via l’activation de la voie NF-κB (intermédiaire TLR-2, CD14) résultant en la sécrétion de diverses cytokines pro-inflammatoires (IL- 1β , IL-6 et TNF-α) [149].

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1.3.3.1.1.1.3 Hémagglutinines

Les protéines membranaires, telles que les hémagglutinines, jouent un rôle crucial dans l’adhésion de P. gingivalis dans les sites sous-gingivaux [169-171]. Bien que cinq hémagglutinines différentes (HagA à HagE) soient exprimées à la surface cellulaire, ces dernières sont toutes impliquées dans la liaison de ce microorganisme aux récepteurs des cellules humaines, essentiellement des oligosaccharides [93, 121, 171].

De plus, P. gingivalis possède une activité hémolytique par l’intermédiaire des hémagglutinines. Ces protéines membranaires permettent de lier les érythrocytes puis de les lyser, libérant ainsi de l’hémoglobine, une source de fer essentielle à la croissance de ce microorganisme [121, 172-174].

1.3.3.1.1.1.4 Gingipaïnes

Certaines bactéries impliquées dans l’étiologie de la maladies parodontale possèdent un fort pouvoir protéolytique, qui, en plus de permettre la dégradation des protéines de l'hôte dans un contexte nutritionnel, interfère avec les mécanismes de défense mis en place par l'hôte lors de la réponse immunitaire [175], en plus de causer la destruction tissulaire et osseuse [116, 176]. Ces protéinases sont considérées comme un facteur de virulence important, puisqu'elles permettent la survie et la prolifération de la bactérie à l'intérieur de l'hôte, ce qui représente un aspect fondamental de la pathogénèse bactérienne [138].

P. gingivalis est une bactérie qui possède à sa surface et sécrète sous forme soluble une multitude de protéinases ayant différentes spécificités (cystéine endoprotéinase ; gingipaïnes, collagénases, dipeptidyl aminopeptidase IV), dont les gingipaïnes [175, 177, 178]. L'activité protéolytique de P. gingivalis la mieux caractérisée est reliée à trois cystéines protéinases possédant une activité amidolytique pour des acides aminés spécifiques, appelées gingipaïnes R (RgpA et RgpB ; cystéines protéinases spécifiques à l'arginine) et K (Kgp ; cystéine protéinase spécifique à la lysine), qui sont, selon plusieurs auteurs, fortement associées à la virulence de cette bactérie [116, 122, 177, 179, 180].

23 Les Arg-gingipaïnes A et B, de même que la Lys-gingipaïne clivent la région carboxy-terminale de leur résidu respectif, soit l’arginine ainsi que la lysine; cette activité catalytique étant liée à la présence d’un groupement thiol au site actif de l’enzyme [181].

Trois gènes codent pour les cystéines protéinases de P. gingivalis:

 rgpA code pour la protéinase spécifique à Arg-X RgpA (95 kDa), qui possède un domaine catalytique ainsi qu'un domaine adhésine/hémagglutinine (hag sequence domain)(HA);  rgpB code pour la protéinase spécifique à Arg-X RgpB (50 kDa) qui ne possède pas le domaine

adhésine/hémagglutinine à l'exception d'une petite extrémité C-terminale codant pour le domaine catalytique; et

 kgp code pour la protéinase spécifique à Lys-X Kgp (≈ 110 kDa), qui possède un domaine catalytique ainsi qu'un domaine adhésine/hémagglutinine (hag sequence domain)(HA). Ainsi donc, RgpA ainsi que Kgp possèdent des domaines hémagglutinines qui contribuent à la colonisation de la cavité buccale par P. gingivalis [177, 182-186].

P. gingivalis est une bactérie asacharolytique qui nécessite de courts peptides ainsi que des acides aminés afin de subvenir à ses besoins énergétiques [121, 187]. Cette acquisition de nutriments est possible suivant la dégradation des protéines environnantes par les protéinases, plus spécifiquement les gingipaïnes. Ces dernières peuvent dégrader un certain nombre de substrats potentiellement importants au milieu du sillon gingival, incluant le collagène, la fibronectine, le fibrinogène et la laminine [121, 188].

Le fer est également un facteur de croissance indispensable à P. gingivalis, qui utilise l’hémine (fer protoporphyrine IX) afin de satisfaire ses besoins nutritionnels [121, 188-191]. Un certain nombre de composés contenant du fer ou des dérivés de l’hémine, tels que l’hémoglobine, la transferrine [192], l’haptoglobine, la myoglobine, l’hémopexine, la méthémoglobine, l’oxyhémoglobine, l’albumine, la lactoperoxydase, la catalase ainsi que le cytochrome c peuvent être dégradés par les protéases de P.

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gingivalis à des fins nutritionnelles [121, 188-191]. De plus, grâce à l’hémolysine, ce parodontopathogène s’approprie du fer en libérant l’hémoglobine des érythrocytes [121, 193].

Bien que la fonction primaire des protéases sécrétées par les bactéries asaccharolytiques telle que P. gingivalis est de fournir de courts peptides pour subvenir à ses besoins énergétiques (croissance), les protéases sont également impliquées directement dans l’adhérence et la colonisation des tissus [121, 194]. En effet, la colonisation des sites sous-gingivaux par P. gingivalis est facilitée par sa capacité à adhérer à de nombreuses surfaces biotiques, dont les cellules épithéliales, la matrice extracellulaire, de même que les globules rouges et les autres bactéries. Bien que cette adhérence puisse être médiée par les fimbriae, les gingipaïnes de P. gingivalis peuvent également être impliquées, par des mécanismes directs ou indirects [195]. De plus, le fort potentiel protéolytique de P. gingivalis peut favoriser l’adhérence des parodontopathogènes aux tissus gingivaux. Ainsi, la dégradation de la fibronectine (matrice extracellulaire) permet la libération et l’exposition des cryptitopes à la surface des cellules eucaryotes, des sites d’adhésion masqués [196] permettant l’adhérence des bactéries [197- 200].

Puisque la bactérie P. gingivalis est considérée comme un intrus pour le corps humain, cette dernière deviendra une cible naturelle pour le système immunitaire de l'hôte, qui tentera de l’éliminer en déployant divers mécanismes impliqués dans la réponse immunitaire innée, non-spécifique (complément, peptides antimicrobiens, neutrophiles et macrophages résidents), de même que dans la réponse immunitaire adaptative, plus spécifique (anticorps, macrophages activés, lymphocytes T) [116, 176]. Ces deux composantes de la réponse immunitaire sont en constante interaction et sont synchronisées par diverses cytokines [195]. Afin de survivre aux attaques du système immunitaire, P. gingivalis possède la capacité de manipuler ces deux branches de la réponse immunitaire, et il est soupçonné que les gingipaïnes constituent des acteurs clés dans ce processus.

L’invasion bactérienne induit, dans la cavité buccale, l’expression de peptides antimicrobiens cationiques tels que les β-défensines, la cathélicidine LL-37 ainsi que les α-défensines dérivées des

25 neutrophiles [201]. Il a été démontré que les gingipaïnes de P. gingivalis dégradent ces protéines, perturbant par le fait même l’une des premières ligne de défense de la réponse immunitaire innée et permettant la survie de cette bactérie au sein des lésions parodontales [195, 202-205].

Le système du complément joue un rôle significatif dans la réponse immunitaire innée selon 3 voies : la voie classique, la voie des lectines ainsi que la voie alternative. Ce système en cascade implique plusieurs glycoprotéines aboutissant à la formation d’un complexe d’attaque membranaire (MAC), composés des facteurs C5b, C6, C7, C8, C9. Ce dernier causera la mort des microorganismes pathogènes [206]. Les gingipaïnes interviennent dans les étapes initiales de la cascade du complément en dégradant les composantes C3, C4 et C5, empêchant l’activation de la composante C5b et la formation subséquente du MAC [7, 176, 195, 207-211]. De plus, la dégradation du récepteur C5a résulte en une suppression de la migration des neutrophiles dans les sites infectés [116, 212, 213]. Bien que le système du complément permette une élimination efficace des microorganismes pathogènes, une mauvaise régulation de ce dernier peut engendrer la destruction tissulaire. Afin de prévenir cette dégradation, les cellules de l’hôte expriment un certain nombre de protéines régulatrices liées à la membrane, dont le CD46, un cofacteur permettant l’inactivation des facteurs C3b et C4b du complément [207, 214, 215]. Les protéases de P. gingivalis possèdent la capacité de cliver le CD46, provoquant son relargage et favorisant l’activation du complément et par conséquent, la progression de la maladie parodontale [195, 207, 216, 217].

Le système immunitaire inné comprend de nombreux types cellulaires, et le rôle d'élimination des agents pathogènes ayant envahi l'organisme est accompli majoritairement par les neutrophiles ainsi que les macrophages résidents dans les tissus. Les gingipaïnes de P. gingivalis ont la capacité d'entraîner une dysfonction des cellules phagocytaires en clivant le récepteur FMLP (formyl-Met-Leu- Phe) [116]. Cette dégradation résulte en une inactivation des neutrophiles et une incapacité de ceux- ci à reconnaître les agents pathogènes envahisseurs [116, 176, 218].

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Il est également connu que P. gingivalis puisse déréguler les mécanismes de la défense immunitaire de l’hôte par le biais des cytokines [116, 219, 220], incluant les protéines de signalisation ainsi que leurs récepteurs. Il a été démontré que les gingipaïnes dégradent et inactivent plusieurs composantes de ce réseau, dont l’IL-1β, l’IL-4, l’IL-6, l’IL-8, l’IL-12, le récepteur de l’IL-6, l’interféron-α, le TNF-α, le CD4, le CD8, le CD14 et le CD54 [194, 195, 221-223], résultant en une interruption de communication entre les deux branches de la réponse immunitaire. La dégradation des cytokines résulte en une forte perturbation des réactions inflammatoires locales et une rupture du gradient de chimiokines à proximité de la plaque sous-gingivale et, par conséquent, une inhibition de la convergence des neutrophiles au site de l’infection [177, 223]. En déréglant le réseau des cytokines de l’hôte, la bactérie est capable d’échapper à son élimination par les cellules immunitaires.

La capacité de P. gingivalis à dégrader les immunoglobulines, plus spécifiquement les IgA, IgG, ainsi que les IgM, est un autre rôle assumé par les protéases et lui assure, de même qu’aux espèces bactériennes environnantes, une certaine protection [207, 208, 224-226]. Les immunoglobulines exercent de nombreux effets protecteurs, notamment en prévenant l’adhérence des bactéries aux cellules de l’hôte, en causant l’agglutination et l’opsonisation pré-phagocytaire de celles-ci, en neutralisant les différentes toxines et enzymes qu’elles sécrètent dans l’environnement et en permettant l’activation de la lyse médiée par le complément [134].

Les protéases de P. gingivalis sont également impliquées dans la destruction tissulaire observée au cours de la progression des parodontites. P. gingivalis possède une activité collagénase responsable de la dégradation de certaines protéines structurales telles que le collagène de type II, IV, V et plus spécifiquement le collagène de type I, le constituant majeur du tissu conjonctif gingival. Les gingipaïnes de P. gingivalis sont responsables de cette activité de dégradation du collagène puisqu'une inactivation de ces dernières entraîne une incapacité pour cette bactérie à dégrader le collagène de type I [175, 227]. Les gingipaïnes de P. gingivalis dégradent également des composantes de la membrane basale et de la matrice extracellulaire, incluant la laminine et la fibronectine [88, 121, 175, 177, 194, 207].

27 Les inhibiteurs plasmatiques des protéases contribuent également aux mécanismes de défense immunitaire en inhibant les activités protéolytiques dérivées à la fois de l’hôte et des bactéries. Par ailleurs, il a été démontré que P. gingivalis dégrade de nombreux inhibiteurs de protéases tels que l’α1-antitrypsine, l’α2-macroglobuline, l’antithrombine III, l’α2-antiplasmine et le C1-inhibiteur, qui ont pour fonction de réguler l'activité de nombreuses enzymes protéolytiques de la réponse inflammatoire [121, 194, 207, 209]. De plus, l’activation du plasminogène en plasmine par les protéases de P. gingivalis permet de moduler la dégradation de protéines de la matrice extracellulaire (fibronectine et laminine) ainsi que l'activation des formes latentes de métalloprotéinases matricielles (MMPs) [121, 194, 209]. Ces mécanismes, soit la dégradation des inhibiteurs de protéases de même que l'activation des MMPs résultent en une destruction incontrôlée des tissus parodontaux.

1.3.3.1.1.1.5 Lipopolysaccharide (LPS)

Comme toutes les bactéries Gram négatives, P. gingivalis possède à sa surface du lipopolysaccharide (LPS). La structure de ce dernier comprend 3 parties ; l’antigène O, le polysaccharide central ainsi que le lipide A. Le lipide A, la structure biologiquement active du LPS, joue un rôle important lors de la maladie parodontale, puisque celui-ci stimule indirectement la réponse inflammatoire en déclenchant la production de TNF-α, d’IL-1β, d’IL-6 ainsi que d’IL-8 par les cellules de l’hôte. Il agit également de façon directe sur les cellules endothéliales, en inhibant l’expression de l’E-sélectine, cette dernière participant habituellement aux mécanismes de l’inflammation [7, 43, 228].

Il est connu que le LPS de P. gingivalis est biochimiquement différent de celui des autres bactéries Gram négatives ; il est atypique par sa faible teneur en heptose et en 2-kéto-3-déoxyoctonate [113]. Par conséquent, ce dernier se caractérise par un faible pouvoir endotoxique lorsque celui-ci est comparé au LPS d’autres espèces bactériennes (bactéries entériques) [7].

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1.3.3.1.1.1.6 Vésicules membranaires

Les vésicules membranaires sont des excroissances de la membrane externe qui possèdent des propriétés antigéniques. Ces dernières sont produites par la bactérie P. gingivalis [229] et relarguées dans le milieu environnant. Elles contiennent les principaux facteurs de virulence de ce parodontopathogène. Les vésicules membranaires possèdent une faible dimension (entre 10 et 50 nm), leur permettant une diffusion facilitée à travers les tissus parodontaux en véhiculant, dans les tissus sous-jacents, les différents facteurs de virulence qu’elles contiennent [229, 230]. Dans un contexte in vivo, les vésicules fixent une partie des anticorps initialement dirigés contre la bactérie, lui permettant d’échapper à l’opsonisation et à la bactériolyse [7].