1. Les pili
Appelés aussi fimbriae, sont des organelles filamenteuses longues, présentes sur la surface de nombreuses bactéries pathogènes tel que P. aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae,Neisseria meningitidis, Dichelobacter nodosus, Moraxella boviset Eikenella corrodens(Dalrymple etal.,1987; Ottow, 1975; Strom et Lory, 1993; Tennent et Mattick, 1994).
Il existe plusieurs classes de pili, les plus répondus sont les pili de type IV. Ceux sont des appendices de surfaces, polaires, présents en plusieurs copies sur la surface de la bactérie.Ils ont un diamètre de 6 nm et peuvent atteindre plusieurs micromètres de longueur(Paranchychet al.,1990).
Ces structures sont multifonctionnelles et jouent un rôle crucial en particulier dans l’initiation de la colonisation. En effet, elles permettent l’adhérence de la bactérie aux surfaces épithéliales de l’hôte (Gupta etal., 1994; Paranchych et Frost, 1988; Pier, 1985; Sheth et al.,1994). C’est l’étape la plus importante du processus infectieux (Johansonet al.,1980; Woodset al., 1980). Des mutants de pili sont à l’origine d’une perte de l’adhérence aux pneumocytes et par conséquence de pneumonies moins sévères par rapport à la souche sauvage (Comolli etal.,1999; Farinhaet al., 1994). Les pili sont aussi impliqués dans la motilité de type «twitching » qui permet le déplacement sur une surface solide grâce à l’extension puis à la rétraction du pili, et la mobilité de type « swarming » (Asikyanetal.,2008; Mattick, 2002;O’Tool et Kolter, 1998).
Les pili sont aussi importants pour la formation du biofilm(O'Toole et Kolter, 1998), la transformation naturelle (Dubnauetal.,1999) et l’initiation des infections par des bactériophages dont le pili joue le rôle de récepteur (Bradley, 1973;Henrichsen, 1983).
Les pili sont aussi importants pour la formation du biofilm(O'Toole et Kolter, 1998), la transformation naturelle (Dubnauetal.,1999) et l’initiation des infections par des bactériophages dont le pili joue le rôle de récepteur (Bradley, 1973;Henrichsen, 1983).
Le pili de type IV de P. aeruginosa est un polymère constitué de plusieurs milliers de copies d’une sous-unité protéique de 15 kDa, appelée la piline (Craig etal.,2004;Craig et al., 2006).
La production et l’assemblage de la piline implique l’expression et larégulation d’au moins 40 gènes (Hobbs etal.,1993; Matticket al., 2002). Ces gènes –appeléspil- se trouvent dans différentes régions du chromosome de la bactérie (Darzins et Russell,1997;Hollowayet al., 1994). L’expression de ces gènes est contrôlée par les systèmes à deux composantes PilSet PilR, et le facteur sigma alternatif RpoN (Hobbs etal.,1993; Ishimotoand Lory, 1989; Ishimoto et Lory, 1992; Boyd et al., 1994).
La production et l’assemblage de la piline implique l’expression et larégulation d’au moins 40 gènes (Hobbs etal.,1993; Matticket al., 2002). Ces gènes –appeléspil- se trouvent dans différentes régions du chromosome de la bactérie (Darzins et Russell,1997;Hollowayet al., 1994). L’expression de ces gènes est contrôlée par les systèmes à deux composantes PilSet PilR, et le facteur sigma alternatif RpoN (Hobbs etal.,1993; Ishimotoand Lory, 1989; Ishimoto et Lory, 1992; Boyd et al., 1994).
Il existe d’autres types de pili comme celui dit de type I dont l’assemblage dépend d’une protéine chaperone (Vallet et al.,2001).
2. Le flagelle
Le flagelle est une organelle complexe multiprotéique. Il s’agit de l’appendice le plus important dans la motilité des bactéries à Gram négatif. P. aeruginosa possède un seul flagelle monotriche polaire lui conférant une mobilité de type « swimming» dans un environnement aqueux et une mobilité de type « swarming » permettant le déplacement sur des surfaces semisolides (Kaiser, 2007 ; Kohlretal.2000 ; McCarter, 2006 ; Toutainetal.2005).
Le flagelle est impliqué dans la pathogénie de la bactérie. Des mutants dépourvus de flagelle ont une virulence atténuée (Drake et Montie, 1988;Feldmanet al., 1998; Tang etal., 1996).
Récemment, il a été démontré que la mutation ΔfliC est à l’origine d’une défaillance dans la production des homosérines lactones. Ces molécules sont impliquées dans le quorum-sensing, et elles régulent la production de nombreuses exoprotéases. Parmi celles-ci,certaines à l’origine d’une résistance à la protéine A du surfactant, sont moins produites dans le mutant ΔfliC. Ceci rend la clairance de la bactérie plus importante (Kuangetal.,2011). Le flagelle est également nécessaire pour la formation du biofilm. Il intervient dans l’adhérence à la surface et la dissémination du biofilm par la suite (O'Toole et Kolter, 1998;Saueret al., 2002). En outre, cette organelle participe à la reconnaissance de la bactérie par l’hôte en induisant la réponse inflammatoire. Ceci suite à l’interaction entre les monomères dela flagelline soluble (FliC), libérée par la bactérie, avec les récepteurs Toll TLR5 (Adamo etal.,2004 ; Cobb et al., 2004; Feldmanet al., 1998; Honko et Mizel, 2004; Ramos et al.,2004; Steiner, 2007; Szabo, 2003) ou les protéines NLRC4 de l’inflammasome (Arlehamnand Evans, 2011). D’autre part, la flagelline stimule l’expression de la Matrilysine qui est une protéase produite par les cellules épithéliales des muqueuses (Lopez-Boadoet al.,2001). Par ailleurs, des études ont montré que la mobilité induite par le flagelle favorise la phagocytosede la bactérie (Amiel etal.,2010; Lovewellet al., 2011).
Récemment, il a été démontré que la mutation ΔfliC est à l’origine d’une défaillance dans la production des homosérines lactones. Ces molécules sont impliquées dans le quorum-sensing, et elles régulent la production de nombreuses exoprotéases. Parmi celles-ci,certaines à l’origine d’une résistance à la protéine A du surfactant, sont moins produites dans le mutant ΔfliC. Ceci rend la clairance de la bactérie plus importante (Kuangetal.,2011). Le flagelle est également nécessaire pour la formation du biofilm. Il intervient dans l’adhérence à la surface et la dissémination du biofilm par la suite (O'Toole et Kolter, 1998;Saueret al., 2002). En outre, cette organelle participe à la reconnaissance de la bactérie par l’hôte en induisant la réponse inflammatoire. Ceci suite à l’interaction entre les monomères dela flagelline soluble (FliC), libérée par la bactérie, avec les récepteurs Toll TLR5 (Adamo etal.,2004 ; Cobb et al., 2004; Feldmanet al., 1998; Honko et Mizel, 2004; Ramos et al.,2004; Steiner, 2007; Szabo, 2003) ou les protéines NLRC4 de l’inflammasome (Arlehamnand Evans, 2011). D’autre part, la flagelline stimule l’expression de la Matrilysine qui est une protéase produite par les cellules épithéliales des muqueuses (Lopez-Boadoet al.,2001). Par ailleurs, des études ont montré que la mobilité induite par le flagelle favorise la phagocytosede la bactérie (Amiel etal.,2010; Lovewellet al., 2011).
Le flagelle bactérien se compose de trois parties : le filament extra bactérien permettant le mouvement, le crochet et le corps basal ancré dans les membranes bactériennes(Minaminoet al.,2004; Minaminoet al., 2010). Il existe environ 50 gènes codant les protéines de l’appareil du flagelle, les régulateurs et autres (Aldridge et Hughes, 2002). La flagelline est la principale protéine constitutive du flagelle. Ce dernier s’agrandit par l’addition de sous-unités de flagelline à l’extremité la plus éloignée du corps cellulaire. Ces sous-unités diffusent à travers le domaine creux du flagelle, atteignant ainsi son extrémité.Ceci représente une similarité avec le Système de Sécrétion de Type Trois (SSTT) qui fera l’objet d’une grande partie de cette introduction (Macnab, 2003).
3. Le biofilm
L’infection chronique se caractérise par la formation d’un biofilm bactérien( Figure2), comme c’est le cas dans le poumon des patients atteints de mucoviscidose. En effet, 65 % des infections bactériennes chez l’homme impliquent des biofilms (Chicurel, 2000). Ces derniers peuvent se former au niveau de cathéters ou d’implants et attaquer des tissus comme les dents,les yeux, les poumons, les oreilles ou le tractus urogénital (Costertonet al.,1999).
Le biofilm se définit comme une population bactérienne adhérente à une surface et enrobée d’une matrice d’exopolysaccharide. La plupart des bactéries vivent aussi à l’état dit« sessile » fixées sur un support (biofilm) plutôt qu’à l’état « planctonique » (libres et isolées dans le milieu environnemental).
Le biofilm se définit comme une population bactérienne adhérente à une surface et enrobée d’une matrice d’exopolysaccharide. La plupart des bactéries vivent aussi à l’état dit« sessile » fixées sur un support (biofilm) plutôt qu’à l’état « planctonique » (libres et isolées dans le milieu environnemental).
À cause de la formation de microcolonies, la distribution des cellules bactériennes est hétérogène au sein du biofilm. Ces cellules occupent 10–20% du volume du biofilm(Costertonetal.,1994). Ce dernier correspond à un mode de vie communautaire.
Les bactéries adhèrent à une surface, forment des microcolonies puis synthétisent des substances dont elles s’entourent pour se protéger et renforcer leur adhésion. La structure du biofilm de P.aeruginosaest maintenue par une matrice EPS (extracellular polymeric substance matrix)(Costertonet al.,1999) qui joue un rôle dans les interactions entre les différentes cellules d’une même population, les interactions entre les différentes populations du biofilm et l’échange du matériel génétique (Friedman et Kolter, 2004; Jackson et al.,2004; Ma et al., 2009; Molin et Tolker-Nielsen, 2003; Yang et al., 2009). Cette matrice est composée essentiellement d’un mélange encore mal défini d’exopolysaccharides :
les alginates, les Psl (Polysaccharide Synthesis Locus) et les Pel (pellicule). Les autres composants minoritaires sont des protéines, des rhamnolipides et de l’ADN (appelé eDNApour extracellular DNA, il s’agit de l’ADN chromosomique fragmenté suite à la lysebactérienne) (Allesen-Holm et al., 2006; Borleeet al., 2010; Brandaet al., 2005; Friedmanand Kolter, 2004; Jackson et al., 2004; Ma et al., 2009; Matsukawa et Greenberg, 2004;Ryderet al., 2007; Whitchurchet al., 2002; Sutherland, 2001). La composition de la matrice dépend des conditions environnementales, de l’âge du biofilm et de la souche impliquée.
Les bactéries adhèrent à une surface, forment des microcolonies puis synthétisent des substances dont elles s’entourent pour se protéger et renforcer leur adhésion. La structure du biofilm de P.aeruginosaest maintenue par une matrice EPS (extracellular polymeric substance matrix)(Costertonet al.,1999) qui joue un rôle dans les interactions entre les différentes cellules d’une même population, les interactions entre les différentes populations du biofilm et l’échange du matériel génétique (Friedman et Kolter, 2004; Jackson et al.,2004; Ma et al., 2009; Molin et Tolker-Nielsen, 2003; Yang et al., 2009). Cette matrice est composée essentiellement d’un mélange encore mal défini d’exopolysaccharides :
les alginates, les Psl (Polysaccharide Synthesis Locus) et les Pel (pellicule). Les autres composants minoritaires sont des protéines, des rhamnolipides et de l’ADN (appelé eDNApour extracellular DNA, il s’agit de l’ADN chromosomique fragmenté suite à la lysebactérienne) (Allesen-Holm et al., 2006; Borleeet al., 2010; Brandaet al., 2005; Friedmanand Kolter, 2004; Jackson et al., 2004; Ma et al., 2009; Matsukawa et Greenberg, 2004;Ryderet al., 2007; Whitchurchet al., 2002; Sutherland, 2001). La composition de la matrice dépend des conditions environnementales, de l’âge du biofilm et de la souche impliquée.
La formation du biofilm nécessite plusieurs étapes et dépend de signaux environnementaux et bactériens dont ceux du quorum sensing (Davies etal.,1998).Certains de ces signaux environnementaux déclenchent des voies de transduction de signal impliquant les systèmes à deux composantes LadS, RetS, et GacA/S (Goodman etal.,2004;Goodman et al., 2009; Ventre et al., 2006). L’étape initiale d’attachement à la surface(muqueuse ou matériel inorganique) dont le flagelle, les pili de type IV, la léctine B (LecB)ou encore les fimbriaeCup sont des appendices de surface, essentiels à la formation dubiofilm (Chiang and Burrows, 2003;Dézielet al., 2001; O’Toole et Kolter, 1998; Saueretal., 2002; Tielkeret al., 2005; Vallet et al., 2001).
L’étape d’attachement irréversible est suivie de deux étapes de maturation qui sont caractérisées par :
L’étape d’attachement irréversible est suivie de deux étapes de maturation qui sont caractérisées par :
1. la formation de macrocolonies et la synthèse de rhamnolipides,
2. la structuration en « champignon », d’une épaisseur maximale de 100 μm. Les bactéries sont complètement immobiles et entourées d’une matrice importante d’exopolysaccharides. Après altération des macrocolonies, les bactéries descouches internes sont à nouveau mobiles pour aller coloniser d'autres sites. Le biofilm est ainsi dispersé.
Les propriétés du biofilm permettent à P. aeruginosa de persister. Ceci en échappant au système immunitaire, à la clairance pulmonaire et accroître la résistance aux antibiotiques(Alkawashet al.,2006; Costertonet al., 1999; Høibyet al., 2010).
4. Le lipopolysaccharide (LPS)
La face externe de la membrane externe de P. aeruginosa est principalement composée de LPS (LipoPolySaccharide). Ce dernier se compose de trois parties :
* Le lipide A, une région hydrophobe permettant l’ancrage de la structure dans la bicouche lipidique. Il est possible que cette partie, également appelée endotoxine, est à l’origine de la plupart des activités biologiques du LPS. En effet le lipide A interagit avec les récepteurs eucaryotes asialo-GM1 et TLR4 et entraîne la stimulation de la réponse inflammatoire (Hajjar etal.,2002; Kipnisetal., 2006; Kopp et Medzhitov, 2003; Lynn et Golenbock, 1992; Wieland etal., 2002).
* Un coeur oligosaccharidique hydrophile constitué de chaînes polysaccharidiques. Il se subdivise en un coeur interne et un autre externe. La partie externe semble être le ligand qui s’associe avec la protéine CFTR (cystic fibrosis transmembrane regulator). Cette dernière représente le récepteur pour la fixation de la bactérie aux cellules épithéliales (Pier et al.,1996).
* L’antigène O ou polysaccharide O, une partie polysaccharidique variable débordant de la membrane externe, sur laquelle est basé le sérotypage et l’identification antigénique de P. aeruginosa (Rocchettaetal.,1999). Il est possible que cet antigène soit présent (phénotype lisse) ou absent (phénotype rugueux) sur le coeur oligosaccharidique. Le phénotype lisse a été souvent décrit comme plus virulent (Cryzet al.,1984).
En plus d’un rôle structural, le LPS est impliqué dans les interactions de la bactérie avec l’environnement. Il est crucial pour la virulence notamment l’adhésion par le biais d’une fixation aux récepteurs TLR4 ou la protéine CFTR (Backhedetal.,2003; Hajjar et al.,2002;Tang et al., 1996) . La fixation à la protéine CFTR dirige la clairance de la bactérie au seindes poumons de patients atteints de la mucoviscidose (Pier etal.,1996; Pier et al., 1997).Pour ces patients, la bactérie s’adapte par des modifications du lipide A (addition depalmitate, d’aminoarabinose et délétion de la fonction 3-hydroxydecanoate). Ceci confère à P.aeruginosa une résistance aux peptides antimicrobiens de l’hôte comme la colisine, et permetune activation plus forte des récepteurs TLR4. D’autre part, la perte de l’antigène O (phénotype rugueux) ou de la protéine CFTR permet à la bactérie d’éviter sa reconnaissance par le système immunitaire facilitant ainsi son installation et sa persistance. En outre, la composition de l’antigène O ainsi que sa présence ou absence rend les souches de P.aeruginosa plus ou moins résistantes à la phagocytose dirigée par le complément (Cryzet al.,1984; Ernst et al., 1999; Ernst et al., 2003; Ernst et al., 2007; Goldberg and Pier, 1996; Hajjaret al., 2002; Nguyen et Singh, 2006; Pier, 2002 ; Schroeder et al., 2002; Smith et al., 2006).Par ailleurs, l’absence de l’antigène O déclenche une surexpression des gènes du SSTT.
5. La protéine OprF
La protéine OprF (Outer membrane protein F) est une porine de la membrane externe de P.aeruginosa. Le diamètre du canal OprF est de 2 nm (Hancock et Nikaido, 1978; Hancocket al., 1979). Cette protéine permet une diffusion non spécifique de certaines espèces ioniques et autres nutriments polaires de petites tailles tels que des polysaccharides ayant un poids moléculaire compris entre 2000 et 3000 daltons (Nestorovichetal.,2006).
La protéine OprF joue un rôle structural dans le maintien de l’intégrité de la paroi bactérienne permettant à P. aeruginosa de pousser dans des milieux à faible osmolarité(Finnenetal.,1992; Gotohet al., 1989; Rawlinget al., 1998; Woodruff et Hancock, 1989).Comme une partie de cette porine est en contact avec l’environnement, elle joue un rôle dans les interactions hôte/pathogène. Elle est impliquée dans l’adhésion de la bactérie aux cellules eucaryotes et dans la formation du biofilm (Azghanietal.,2002; Baysseet al., 2005; Hassettet al., 2002; Yoon et al., 2002). Il est possible que la protéine OprF joue le rôle de senseur pour le système immunitaire de l’hôte. En effet, l’interféron gamma interagit avec cette protéine conduisant à la production de certains facteurs de virulence via l’activation du quorum sensing (Ding et al.,2010; Wagner et al., 2006 ; Wu et al., 2005). D’autre part, des études ont montré que cette protéine est immunogénique (Gillelandet al.,1995;Price et al., 2002).
La protéine OprF est importante pour la virulence de P. aeruginosa. L’absence de cette protéine est à l’origine d’une atteinte de l’adhésion de la bactérie aux cellules eucaryotes, de la sécrétion des exotoxines du SSTT, de la production de la pyocyanine, de l’élastase, de lalectine PA-1L et de la production de l’exotoxine A. Dans un mutant OprF, la production desmolécules du quorum-sensing et du PQS (Pseudomonas quinolone signal) est également atteinte (Fito- Boncompteetal.,2011; Wu et al., 2005).
6. L’alginate
Les alginates sont des exopolysaccharides visqueux et extracellulaires produites par P.aeruginosa durant les deux phases aiguë et chronique de l’infection. Ils sont composés depolymères répétés d’acide mannuronique et d’acide glucuronique et, donnent à la bactérie unaspect mucoïde (Evans and Linker, 1973; Shankar et al., 1995).
La plupart des gènes impliqués dans la biosynthèse des alginates sont regroupés sur un opéron contenant 12 gènes : algD, alg8, alg44, algK, algE, algG, algX, algL, algI, algJ, algF,etalgA(Chitnis and Ohman, 1993;Schurret al., 1993; Shankar et al., 1995). Les gènes algR,algP, algQet algBrégulent la biosynthèse des alginates (Gacesa, 1998; Shankar et al., 1995).
Comme le LPS, les alginates sont impliqués dans l’adhésion de la bactérie à l’épithélium respiratoire (Doig etal.,1987). L’environnement des poumons de patients atteints de mucoviscidose et la réponse inflammatoire de l’hôte permettent d’augmenter la synthèse des alginates. Ceci est à l’origine de la conversion de la bactérie vers un phénotype mucoïde surproduisant des alginates (Davies etal.,2002; Matheeet al., 1999; Pedersen et al.,1992). Cette surproduction d’alginates protège P. aeruginosades antibiotiques. Elle permet également d’atténuer la réponse immunitaire en inhibant l’activation du complément, enréduisant le
chimiotactisme des polymorphonuclaires et en diminuant la phagocytose (Bayeret al.,1991; Cabral et al., 1987; Cobb et al., 2004; Hatch and Schiller, 1998; Hentzeret al.,2001; Learnet al., 1987; Lyczaket al., 2002; Nivenset al., 2001; Oliver and Weir, 1985; Pieret al., 2001).
Les alginates ont été largement considérés comme les exopolysaccharides majeurs de la matrice du biofilm. Cependant, des études ont montré qu’ils ne sont pas cruciaux au développement du biofilm (Hentzeretal.,2001; Stapper et al., 2004; Wozniaket al., 2003).
En effet, les exopolysacchari des Psl (polysaccharide synthesis locus) et Pel (pellicle) sont impliqués dans la formation et le développement du biofilm et sont des composants indispensables de l’EPS des souches non-mucoïdes (Friedman et Kolter, 2004; Jackson etal., 2004; Matsukawa et Greenberg, 2004; Ryderet al., 2007; Vasseur et al., 2005).
