Rôle des polysaccharides de surface dans la formation des biofilms et rôle du biofilm d’Actinobacillus pleuropneumoniae dans la pathogénicité

Abstract

Actinobacillus pleuropneumoniae est un bacille Gram-négatif de la famille des Pasteurellaceae. A. pleuropneumoniae est l'agent étiologique de la pleuropneumonie porcine, une maladie hautement contagieuse et endémique qui cause encore à ce jour d’énormes pertes économiques dans le monde de l’industrie porcine. La pathogenèsedes infections à A. pleuropneumoniae implique plusieurs facteurs de virulence de la bactérie dont les principaux sont les lipopolysaccharides (LPS) et la capsule polysaccharidique (CPS). Ces derniers sont impliqués dans l'adhérence d’A. pleuropneumoniae. Très récemment, il a été démontré qu’A. pleuropneumoniae était capable de produire, sous certaines conditions un biofilm riche en poly- N-acétyl-D-glucosamine (PGA). Cependant, le rôle de cette structure dans la pathogenèse ainsi que les facteurs intervenant dans sa formation et ses signaux déclencheurs sont peu connus à ce jour. Dans cette étude, nous avons démontré que l’antigène O du LPS joue un rôle important dans la formation d’un biofilm mature par A. pleuropneumoniae que ce soit dans un modèle statique ou dans un modèle dynamique en flux, le «drip flow reactor», plus représentatif de l’environnement pulmonaire. Alors que l’absence de la capsule ou du noyau oligosaccharidique du LPS ne semble pas affecter la formation du biofilm, le défaut de formation du biofilm chez le mutant antigène O semble être lié à un problème de production de PGA. En effet, des tests d’immunodétection du PGA associé aux bactéries, à l’aide d’anticorps spécifiques, et les études d’expression du PGA démontrent que le mutant antigène O produit moins de polysaccharide. De plus, les gènes codant pour le système de stress exocytoplasmique CpxRA semblent être moins exprimés chez le mutant antigène O. I L’expression du système CpxRA a également été étudiée lors de l’exposition de souches faiblement productrices de biofilm à des doses sous inhibitrices de pénicilline G (sous-CMI de PG). L’expression des gènes cpxR et cpxA ainsi que d’un gène codant pour la biosynthèse du PGA est augmentée après exposition à des doses sous-CMI de PG. Cette augmentation est suivie d’une augmentation de la capacité des souches étudiées à former un biofilm ainsi que d’une modification de la composition de la matrice extracellulaire. Ces résultats suggèrent que des doses sous-CMI de PG semblent agir comme signaux activateurs de la formation de biofilm chez A. pleuropneumoniae. Finalement, des expériences visant à établir l’implication du biofilm dans l’échappement d’A. pleuropneumoniae au système immunitaire ont démontré que les bactéries du biofilm sont moins susceptibles d’activer des cellules immunitaires que les bactéries planctoniques. À l’aide de la spectrométrie de masse, nous avons démontré une distribution différente des structures du lipide A du LPS entre les bactéries planctoniques et ceux du biofilm. Ces modifications structurelles au niveau du lipide A pourraient expliquer, du moins en partie, cette diminution de la réponse inflammatoire suite à l’exposition des macrophages aux bactéries du biofilm d’A. pleuropneumoniae. Au cours de ce projet, nous avons ainsi pu identifier de nouveaux facteurs importants pour la formation du biofilm d’A. pleuropneumoniae nous permettant de mieux comprendre les mécanismes de formation du biofilm ainsi que son implication dans la pathogénicité.

Actinobacillus pleuropneumoniae is a Gram-negative bacterium belonging to the Pasteurellaceae family and the causative agent of porcine pleuropneumonia, a highly contagious disease that causes important economic losses to the swine industry worldwide. Several virulence factors of A. pleuropneumoniae have been identified. These factors include the Apx toxins, iron uptake systems and surface polysaccharides. Surface polysaccharides including lipopolysaccharides (LPS) and capsular polysaccharides (CPS) are implicated in the adhesion of A. pleuropneumoniae. Recent literature indicates that A. pleuropneumoniae has the ability to rapidly form a biofilm rich in poly-N-acetyl-D-glucosamine (PGA). However, the role of the biofilm in the pathogenesis as well as factors and signals involved in are little known to date. In this study, we demonstrated that the LPS O antigen plays an important role in the biofilm formation by A. pleuropneumoniae whether in a static model or a dynamic model under continuous flow, the "drip flow reactor" which is more representative of the lung environment. While truncation of the LPS core oligosaccharide or the absence of CPS did not have any effect, absence of O antigen markedly reduced the ability of A. pleuropneumoniae serotype 1 to form a mature biofilm. This finding was linked for the O-antigen mutant to a reduced pgaA expression and, consequently, a reduced PGA production. Indeed, compared to the parental or other strains, the biofilm of the O-antigen mutant was dramatically reduced and it had less cell-associated PGA. Real-time PCR analyses revealed a significant reduction in the level of pgaA which encodes for biosynthesis of PGA. Interestingly, the O-antigen mutant also exhibited reduced expression of stress extracytoplasmic CpxRA system. Expression of CpxRA system was also investigated during the exposure of field isolates of A. pleuropneumoniae to sub-minimal inhibitory concentrations of penicillin G (sub-MICs of PG). III

Surprisingly, cpxR, cpxA and pgaA expression was increased after exposure to sub-MICs of PG. The up-regulation of these genes was followed by an increase of the capacity of the studied strains to form a biofilm as well as a change in the composition of the induced biofilm extracellular matrix. These results suggest that sub-MICs of PG seem to act as activators signal towards biofilms of A. pleuropneumoniae. Finally, experiments to establish the involvement of the biofilm in the immune evasion of A. pleuropneumoniae have shown that biofilm cells have weaker ability to stimulate innate immune cells compared to planktonic bacteria. Using mass spectrometry, we demonstrated a different distribution of structures of lipid A of LPS between planktonic bacteria and those of the biofilm. These structural changes in the lipid A could explain, at least in part, the reduction of the inflammatory response following exposure of macrophages to A. pleuropneumoniae biofilm cells compared to their planktonic counterparts. During this project, we were able to identify new factors important for biofilm formation of A. pleuropneumoniae allowing us to better understand the biofilm formation and its involvement in pathogenicity.