Étude des mécanismes moléculaires influençant la variation de phase des adhésines P, F1651 et CS31A présentes chez des souches d'Escherichia coli pathogènes

Abstract

F1651, les pili Pap et l’antigène CS31A associé aux antigènes de surface K88 sont tout trois des membres de la famille de type P des facteurs d’adhérence jouant un rôle prépondérant lors de l’établissement d’une maladie causée par des souches Escherichia coli pathogènes, en particulier des souches d’E. coli pathogènes extra-intestinales (ExPEC, Extra-intestinal pathogenic E. coli). Leur expression est sous le contrôle d’un mécanisme de régulation transcriptionnel dépendant de l’état de méthylation de l’ADN, résultant dans l’existence de deux populations définies, l’une exprimant l’adhésine (population ON) et l’autre ne l’exprimant pas (population OFF). Malgré de fortes identités de séquences, ces trois systèmes diffèrent l’un de l’autre, principalement par le pourcentage de cellules ON rencontrées. Ainsi, quand CS31A est systématiquement orienté vers un état considéré comme OFF, F1651 présente une phase ON particulièrement élevée et Pap montre deux états OFF et ON bien distincts, selon le phénotype de départ. La protéine régulatrice sensible à la leucine (Lrp, Leucine-responsive regulatory protein) joue un rôle essentiel dans la réversibilité de ce phénomène épigénétique et il est supposé que les différences de séquences au niveau de la région régulatrice modifient la localisation à ces sites de fixation de Lrp; ce qui résulte, en final, aux différences de phase existant entre CS31A, F1651 et Pap.À l’aide de divers techniques parmi lesquelles l’utilisation de gènes rapporteurs, mutagénèses dirigées et d’analyse des interactions ADN-protéines in vitro, nous montrons dans ce présent projet que la phase OFF prédominante chez CS31A est principalement due à une faible interaction de Lrp avec la région distale de l’opéron clp, et que la présence d’un homologue du régulateur local PapI joue un rôle également clef dans la production de CS31A. Dans le cas de F1651, nous montrons dans cette étude que le taux élevé de cellules en phase ON est dû à une altération dans le maintien de Lrp sur les sites répresseurs 1-3. Ceci est dû à la présence de deux nucléotides spécifiques, situé de part et d’autre du site répresseur 1, qui défavorisent la fixation de Lrp sur ce site précis. Tout comme dans le cas de CS31A, la formation d’un complexe, activateur ou répresseur de la phase ON, dépend également de l’action de du régulatuer local FooI, qui favorise alors le déplacement de Lrp des sites répresseurs 1-3 vers les sites activateurs 4-6.

F1651, the pyelonephritis-associated pili (Pap) and the K88-related surface antigen CS31A are three members of the type P family of adhesive factors that play a key role in the establishment of disease caused by Extra-intestinal Escherichia coli (ExPEC) strains. They are all under the control of methylation-dependent transcriptional regulation that defines the number of fimbriated (ON) and afimbriated (OFF) cells within a clonal population. Despite a high similarity in DNA sequence, these three adhesive systems nonetheless differ in the ratio of ON cells. While CS31A is always turned toward the OFF state, F1651 presents a particularly high level of ON cells and Pap shows two distinct OFF and ON states, depending on the starting phenotype. The leucine-responsive regulatory protein (Lrp) plays an essential role in the reversibility of this epigenetic switch and it is believed that the difference in nucleotides within the regulatory region of each operons could modify the binding of Lrp and, in turn, CS31A, Pap and F1651 phase variation. Using a variety of techniques including gene expression, site-directed mutagenesis, and in vitro protein–DNA interaction analysis, we demonstrate that the preferential OFF state observed in CS31A-positive cells is mainly due to a weak interaction of Lrp with the clp distal region and that the presence of a PapI homologue within the cell plays a key role in CS31A production. For F1651, we show in this study that the high level of ON cells found during F1651 phase variation is due to an altered stability of the DNA complex formed by Lrp at its repressor binding sites 1-3. Again, after each cell cycle, complex formation is modulated by the local regulator FooI (homologue to PapI) which promotes the transit of Lrp toward its activator binding sites 4-6. Furthermore, we identify two nucleotides (T490, G508) surrounding the Lrp-binding site 1 that are critical to maintaining a high OFF to ON switch rate during F1651 phase variation, as well switching Pap fimbriae toward the OFF state.