Système d’Auto-inducteur 2 (AI2)

Les AHLs et les peptides sont les deux principales molécules de signalisation QS utilisées respectivement par les bactéries Gram- et Gram+ dans la communication intra-espèce (intraspécifique). En outre, une troisième molécule appelée auto-inducteur 2 (AI2) a été identifiée comme une molécule de signalisation interspécifique utilisée à la fois par les bactéries Gram-et Gram+ (Xavier and Bassler, 2003).

2.3.3.1. Mécanisme d’action du système AI2

Le système AI2 a été décrit pour la première fois chez la bactérie marine V. harveyi en 1994, le décrivant comme un système régulateur de l’émission de la bioluminescence chez cette bactérie (Bassler et al., 1994). L’AI2, un furanosyl-borate diester, est synthétisé par le produit du gène luxS largement conservé chez les bactéries Gram- et Gram+. LuxS

(S-ribosyl-homocysteine lyase) catalyse le clivage de l’homocystéine à partir de la S-ribosyl-L-homocystéine (SRH) générée à partir de la S-adhénosylS-ribosyl-L-homocystéine (SAH) sous l’action d’une enzyme nommée Pfs ou MTAN (5'-methyl-thioadenosine/S-adenosyl-homocysteine nucleosidase) pour donner le précurseur d’AI2 : le 4,5-Dihydroxy-2,3-pentanedione (DPD) qui est instable et réalise alors une réaction de cyclisation spontanée en donnant l’AI2 (Figure 15) (Challan Belval et al., 2006).

Figure 15. Schéma de la biosynthèse d’AI2 à partir de la SAH sous l’action de Pfs et LuxS (Challan Belval et

al., 2006).

Comme dans le cas des AHLs, l’AI2 diffuse librement à travers la membrane cellulaire après sa synthèse jusqu’à ce qu’il atteigne à forte densité cellulaire une concentration seuil qui lui permette d’être détecté par son récepteur membranaire (Henke and Bassler, 2004). A ce jour, deux formes d’AI2 ont été identifiées : celle détectée par V. harveyi (Vibrionaceae) (2S,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran-borate (S-THMF-borate) et celle détectée par Salmonella typhimuriuym (Enterobacteriaceae) (2R,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran (R-THMF) (Tavender et al., 2008) (Figure 16).

Figure 16. Structure des molécules d’AI2 identifiées chez les Vibrionaceae (à gauche) et les Enterobacteriaceae

(à droite) (Lowery et al., 2013).

Chez les Vibrionaceae, la transduction du signal AI2 implique une proteine periplasmique LuxP, responsable de la détection d’AI2 et un phosphorelay complexe. Suite à la liaison avec l’AI2, le senseur LuxQ fonctionne comme une phosphatase et déphosphoryle une protéine nommée LuxU, qui déphosphoryle à son tour une autre nommée LuxO. Cette dernière module la transcription des gènes cibles (Figure 17) (Henke and Bassler, 2004). Chez les Enterobacteriaceae, l’AI2 est détecté par un transporteur ABC nommé Lsr qui

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l’internalise dans le cytoplasme bactérien. L’AI2 est ensuite phosphorylé sous l’action d’une kinase nommée LsrK, ce qui lui permet de se lier à un régulateur transcriptionnel nommé LsrR qui module à son tour l’expression des gènes cibles (Taga et al., 2003; Miller et al., 2004).

Figure 17. Transduction du signal AI-2 chez les Enterobacteriaceae (à gauche, en rouge) et les Vibrionaceae (à

droite, en bleu) (Rezzonico et al., 2012).

Dans le cas d’Enterobacteriaceae, l’AI2 est détecté par un transporteur ABC nommé Lsr qui la phosphoryle, ce qui lui permet de se lier à un régulateur transcriptionnel nommé LsrR qui module à son tour les gènes cibles. Dans le cas de Vibrionaceae, l’AI2 est détecté par le récepteur LuxP et, suite à une chaine de déphosphorylation débutant par l’activité de LuxQ, une régulation de la transcription des gènes cibles est effectuée indirectement par LuxO.

2.3.3.2. Rôle de LuxS dans le métabolisme bactérien

LuxS est une métallo enzyme impliquée dans la synthèse d’AI2 et l’absence de cette enzyme implique directement une absence de la synthèse de la molécule signal AI2. Cette molécule est considérée comme une molécule de signalisation interspécifique à cause de la conservation du gène luxS chez un grand nombre des bactéries Gram- et Gram+. Plusieurs auteurs ont rapporté l’effet du système LuxS/AI2 sur de nombreux phénotypes bactériens y compris la virulence, la formation du biofilm (notamment le biofilm mixte), la motilité, la production de toxines et d’antibiotiques, la luminescence et l'expression des transporteurs ABC (Federle and Bassler, 2003; Parashar et al., 2015). Citons par exemple le cas de

Streptococcus suis pour lequel la mutation de luxS inhibe la formation du biofilm et l’addition

d’AI2 exogène restaure le phénotype normal (Wang et al., 2011). En outre, certaines bactéries possèdent le gène luxS sans par autant posséder les gènes codant pour les récepteurs LuxPQ

ou Lsr. C’est le cas de Shewanella oneidensis MR-1. La mutation de luxS chez cette bactérie (qui ne possède pas un récepteur d’AI2) inhibe la formation du biofilm après 16h de croissance mais l’addition d’AI2 exogène ne restaure pas le phénotype normal suggérant un autre rôle de LuxS au niveau de métabolisme bactérien notamment dans le cycle méthylique (AMC : activated methyl cycle) (Figure 18) (Learman et al., 2009).

Figure 18. Les deux vois d’hydrolyse de la substance toxique SAH soit par SAH hydrolase soit par Pfs et LuxS

via l’AMC (Activated methyl cycle) en produisant l’AI2 (Rezzonico et al., 2012).

Tous les organismes vivants effectuent une variété de réactions de transfert de méthyle, dans lesquelles la S-adénosylméthionine (SAM) est utilisée comme donneur de méthyle. Le sous-produit de ces réactions est la S-adénosylhomocystéine (SAH). En raison de sa similarité structurelle avec la SAM, la SAH est un inhibiteur puissant de plusieurs enzymes SAM-dépendants et est donc un métabolite hautement toxique (Pei and Zhu, 2004). Chez les eucaryotes, les archées et les bactéries qui ne possèdent pas de LuxS, la SAH est convertie en adénosine et homocystéine en une seule étape catalysée par la SAH hydrolase (SAHH) (Figure 16). En revanche, les bactéries ayant le LuxS ont développé un mécanisme plus élaboré, se décomposant en deux étapes impliquant la nucléosidase Pfs et LuxS pour accomplir la même tâche (Xavier and Bassler, 2003). Ce chemin de détoxification est connu aussi comme une voie de la synthèse d’AI2 élaboré lors de l’action de LuxS sur SRH (Figure 16). Selon Xavier et Bassler (Xavier and Bassler, 2003), il n’existe pas d’exemple de bactéries qui possèdent à la fois une SAHH et un LuxS. Une mutation au niveau de luxS inhibe donc à la fois la synthèse d’AI2 et la régénération de SAM (précurseur de synthèse d’AHLs) et de la méthionine via l’AMC. C’est la raison pour laquelle une inhibition de LuxS

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chez une bactérie qui n’a pas un récepteur d’AI2 pourrait modifier l’expression phénotypique chez cette bactérie par modification du métabolisme cellulaire.