Influence du microbiote intestinal sur le métabolisme et la virulence des Escherichia coli entérohémorragiques

Abstract

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) représentent un problème majeur de santé publique dans les pays développés. Les EHEC sont régulièrement responsables de toxi-infections alimentaires graves chez l’humain et causent des colites hémorragiques et le symptôme hémolytique et urémique, mortel chez les enfants en bas âge. Les EHEC les plus virulents appartiennent au sérotype O157:H7 et le bovin constitue leur réservoir naturel. À ce jour il n’existe aucun traitement pour éviter l’apparition des symptômes liés à une infection à EHEC. Par conséquent, il est important d’augmenter nos connaissances sur les mécanismes employés par le pathogène pour réguler sa virulence et coloniser efficacement la niche intestinale. Dans un premier temps, l’adaptation de la souche EHEC O157:H7 EDL933 à l’activité métabolique du microbiote intestinal a été étudiée au niveau transcriptionnel. Pour se faire, EDL933 a été cultivée dans les contenus caecaux de rats axéniques (milieu GFC) et dans ceux provenant de rats colonisés par le microbiote intestinal humain (milieu HMC). Le HMC est un milieu cécal conditionné in vivo par le microbiote. Dans le HMC par rapport au GFC, EDL933 change drastiquement de profile métabolique en réponse à l’activité du microbiote et cela se traduit par une diminution de l’expression des voies de la glycolyse et une activation des voies de l’anaplérose (voies métaboliques dont le rôle est d’approvisionner le cycle TCA en intermédiaires métaboliques). Ces résultats, couplés avec une analyse métabolomique ciblée sur plusieurs composés, ont révélé la carence en nutriments rencontrée par le pathogène dans le HMC et les stratégies métaboliques utilisées pour s’adapter au microbiote intestinal. De plus, l’expression des gènes de virulence incluant les gènes du locus d’effacement des entérocytes (LEE) codant pour le système de sécrétion de type III sont réprimés dans le HMC par rapport au GFC indiquant la capacité du microbiote intestinal à réprimer la virulence des EHEC. L’influence de plusieurs composés intestinaux présents dans les contenus caecaux de rats sur l’expression des gènes de virulence d’EDL933 a ensuite été étudiée. Ces résultats ont démontré que deux composés, l’acide N-acétylneuraminique (Neu5Ac) et le N-acétylglucosamine (GlcNAc) répriment l’expression des gènes du LEE. La répression induite par ces composés s’effectue via NagC, le senseur du GlcNAc-6-P intracellulaire et le régulateur du catabolisme du GlcNAc et du galactose chez E. coli. NagC est un régulateur transcriptionnel inactivé en présence de GlcNAc-6-P qui dérive du catabolisme du Neu5Ac et du transport GlcNAc. Ce travail nous a permis d’identifier NagC comme un activateur des gènes du LEE et de mettre à jour un nouveau mécanisme qui permet la synchronisation de la virulence avec le métabolisme chez les EHEC O157:H7. La concentration du Neu5Ac et du GlcNAc est augmentée in vivo chez le rat par le symbiote humain Bacteroides thetaiotaomicron, indiquant la capacité de certaines espèces du microbiote intestinal à relâcher les composés répresseurs de la virulence des pathogènes. Ce travail a permis l’identification des adaptations métaboliques des EHEC O157:H7 en réponse au microbiote intestinal ainsi que la découverte d’un nouveau mécanisme de régulation de la virulence en réponse au métabolisme. Ces données peuvent contribuer à l’élaboration de nouvelles approches visant à limiter les infections à EHEC.

Enterohemorrhagic E. coli (EHEC) represent an important public threat especially in developed countries. EHEC are human pathogens involved in food- and water-borne outbreaks and the cause of hemorrhagic colitis and the hemolytic and uremic syndrome that is deadly to young children. The serotype O157:H7 contains the most virulent strain of EHEC and bovines are their natural reservoir. To date, no cure exists to avoid symptoms of an EHEC infection. Consequently, it is of interest to enhance our knowledge about mechanisms used by the pathogen to regulate virulence and to efficiently colonize the intestinal tract. The adaptive response of EHEC O157:H7 strain EDL933 to the metabolic activity of the human intestinal microbiota was first analysed at the transcriptional level. The strain EDL933 was grown in the cecal content of germ-free rats (GFC medium) and that of rats associated with the human intestinal microbiota (HMC medium). The HMC medium is an in vivo microbiota-conditioned medium. An important shift in the metabolic profile of EDL933 was observed in HMC as compared to GFC, with a decreased expression of genes involved in the glycolysis pathways and an increased expression of anaplerosis genes. These results, together with a targeted metabolomics analysis, revealed the nutrient starvation encounters by the pathogen in HMC and the metabolic strategies used to adapt the intestinal microbiota. Moreover, the expression of several virulence genes including those of the locus of enterocyte effacement (LEE) encoding for the type III secretion system was decreased, indicating the ability of the intestinal microbiota to decrease virulence expression of pathogens. The influence of several intestinal compounds present in the cecal contents of rats was then tested for their ability to modulate the virulence gene expression of EDL933. Results demonstrated that the two compounds, N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) and N-acetylglucosamine (GlcNAc) down-regulate the expression of the LEE genes. This repression was dependant of the protein NagC which is the sensor of intracellular GlcNAc-6-P and the regulator of the GlcNAc and the galactose catabolism in E. coli. NagC is a transcriptional regulator that is inactivated in presence of GlcNAc-6-P derived from the Neu5Ac catabolism and the GlcNAc transport. This work led to the identification of NagC as an activator of the LEE genes and the discovery of a new mechanism involved in the coordination of virulence and metabolism in EHEC O157:H7. The concentration of Neu5Ac and GlcNAc was enhance in vivo by the human intestinal symbiont Bacteroides thetaiotaomicron indicating the ability of some species of the microbiota to release compounds that repress virulence of pathogens. This work led to the identification of the metabolic adaptive responses of EHEC O157:H7 in the intestinal milieu conditioned by the intestinal microbiota and the discovery of a new mechanism used to coordinate metabolism and virulence. These data could contribute to the development of news approaches leading to decrease EHEC infections.