Caractérisation du produit du gène sty4221, unique à Salmonella enterica sérovar Typhi

Abstract

Salmonella enterica sérovar Typhi (Typhi) est une bactérie pathogène spécifique à l’homme. Typhi est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde chez l’humain, causant plus de 16 millions de nouveaux cas par année et plus de 600 000 morts. Il a été démontré que pour causer une infection systémique, Salmonella doit nécessairement survivre dans les macrophages de l'hôte. Paradoxalement, S. enterica sérovar Typhimurium, très apparenté à Typhi (près de 90 % d’homologie), n’a pas la capacité de se disséminer dans l’organisme humain et peut infecter plusieurs espèces animales. Nous avons antérieurement identifié 36 gènes uniques à Typhi (absents chez Typhimurium) situés sur 15 régions différentes et exprimés sélectivement lors de l’infection de macrophages humains. Ainsi, l’une de ces régions a suscité notre attention, soit la région sty4217-4222 et plus particulièrement le produit du gène sty4221, une aminotransférase hypothétique. Ce dernier gène est d’intérêt dû à l’homologie qu’il détient avec une hémolysine connue (Hly) produite par Treponema denticola, possédant elle-même une activité d’aminotransférase. Chez T. denticola, Hly dégrade la cystéine et produit du H2S qui est toxique pour l’hôte. Notre hypothèse est que la spécificité d’hôte et la capacité de produire une infection systémique de Typhi sont dues à l’expression de gènes qui ne se retrouvent pas chez d’autres salmonelles. Le but de cette étude était donc de caractériser le gène sty4221 quant à son activité hémolytique, cytotoxique et tenter de déterminer son rôle dans la virulence de cette bactérie. Le gène sty4221 a été cloné sous le contrôle d’un promoteur inductible à l’arabinose et exprimé par E. coli. L’activité hémolytique du clone a été déterminée par simple observation sur gélose sang. Ce clone a également permis d’observer l’effet cytotoxique du surnageant de culture sur différentes lignées cellulaires, par quantification de la relâche de LDH. Le gène sty4221 a été muté chez la souche sauvage de Typhi, ISP1820, l’implication pathogénique du gène a ainsi pu être étudiée. Des tests de phagocytose, d’invasion et de survie dans des macrophages humains ont été effectués, ainsi que des tests d’adhésion et d’invasion sur des cellules HeLa. Par ailleurs, une première tentative de purification de la protéine a été entreprise. En somme, nous savons maintenant que STY4221 a des propriétés hémolytiques, augmentées par la présence de cystéine. De plus, STY4221 a un effet cytotoxique sur les macrophages THP-I, mais aucun effet sur les HeLa. Or, sty4221 ne semble pas impliqué dans les étapes d’adhésion, d’invasion, de phagocytose ou de survie. La caractérisation de sty4221 permettra sans doute d’approfondir nos connaissances sur les toxines trouvées uniquement chez Typhi.

Salmonella enterica serovar Typhi (Typhi) is a human restricted pathogen causing typhoid fever, a systemic infection. Annually, at least 16 million new cases with 600, 000 associated deaths are reported. It has been demonstrated that Salmonella has to survive in the macrophages of its host, in order to produce a systemic disease. This ability to cause a disseminated infection in human is unique to Typhi. Our laboratory had isolated 36 genes that were unique to Typhi (absent from Typhimurium’s genome), and that were expressed during human macrophages infection. One of these genes, sty4221, a putative aminotransferase, was of high interest since it shares sequence similarities with a known hemolysin (Hly), which also possesses an aminotransferase activity. That hemolysin is produced by Treponema denticola, it catabolizes cysteine and produces H2S, a toxic metabolite for the host. Our hypothesis is that host specificity and the ability to cause a systemic infection might be explained by the expression of genes that are not found in other salmonellas. The goal of this study was to characterize the gene sty4221, in terms of hemolytic and cytotoxic activity and to determine its role in virulence. The sty4221gene has been cloned in a vector under an arabinose inducible promoter and transformed in a strain of E. coli. The hemolytic activity has been investigated on blood-agar medium. To evaluate the cytotoxicity of the STY4221 protein on human cultured cells, direct observation by photonic microscopy was done. The cytotoxicity activity on human cultured cells has been quantitatively measured with a lactate dehydrogenase release assay. Moreover, the sty4221 gene has been deleted in order to study its implication in the infection and the survival within human macrophages and for adhesion/invasion on epithelial. Protein purification was also attempted. We now know that protein STY4221 has a hemolytic activity that is enhanced by cysteine. Also, we proved that the expression of sty4221 has a cytotoxic effect on THP-I macrophages, but not on epithelial HeLa cells. Meanwhile, sty4221 does not seem to be important during adhesion, invasion, infection nor survival. The characterization of protein STY4221 might extend the list of known exotoxin of Typhi.