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Rôle des systèmes toxine antitoxine de type I dans la persistence bactérienne – BacTox1

Etude des systèmes toxine antitoxine chez une bactérie pathogène pour l’Homme : Helicobacter pylori (H. pylori)

Les systèmes toxines antitoxines sont présents dans le génome de nombreuses bactéries et comprendre leurs rôles dans les mécanismes de persistence est un enjeu majeur pour comprendre les infections par ces bactéries.

Rôle des systèmes toxine antitoxine dans la persistence bactérienne

La bactérie H. pylori colonise de manière persistante l’estomac de la moitié de la population humaine mondiale. Cette infection est à l’origine de pathologies gastriques comme les ulcères gastro-duodénaux ou l’adénocarcinome qui cause chaque année la mort de 800 000 personnes dans le monde. Presque tous les génomes bactériens, y compris les ceux des agents pathogènes, contiennent un très grand nombre d’opérons toxine-antitoxine (TA). Ces toxines ciblent diverses fonctions cellulaires pour réguler la croissance et la mort des bactéries. Les hypothèses actuelles proposent un rôle dans la régulation de la croissance ou de la mort cellulaire programmée, en réponse à des conditions de stress (par exemple, la carence, des températures élevées, le stress oxydatif, ou l'exposition aux antibiotiques). Dans le projet BacTox1, nous proposons d'étudier le rôle d’un système TA récemment identifié chez H. pylori. L’objectif de notre projet est de montrer que la toxine joue un rôle dans la formation de cellules persistante chez cette bactérie. Ces cellules, qui sont présentes en très petit nombre dans une population normale, sont à l’état de dormance et sont ainsi récalcitrantes aux traitements antibiotiques.

Ce projet fait appel à des approches pluridisciplinaires qui vont de la biologie moléculaire à la microscopie électronique, en passant par des approches de biologie structurale (spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, RMN).

Bactox1 porte sur l’étude de l’expression de système TA chez H. pylori. Nous avons montré que l’expression de la toxine induit la mort de la bactérie en entrainant un changement morphologique des cellules. Nous avons caractérisé cette toxine qui est un petit peptide qui va interagir avec les membranes de la bactérie et provoque la formation de cellules rondes dites coccoides. Ces cellules ont également été observées dans l’estomac de patients infectés par H. pylori. Le système TA que nous avons récemment découvert est très important dans les mécanismes moléculaires mis en place par la bactérie pour infecter et persister dans l’estomac humain.

La recherche sur les systèmes TA n'a débuté que très récemment, et de nombreuses questions restent encore sans réponse. Il est probable que de nouveaux systèmes de TA seront découverts dans l’avenir. Le décryptage des mécanismes de leurs activités toxiques offrira de nouvelles perspectives sur les rôles très divers que ces systèmes jouent dans la physiologie des bactéries et notamment dans les mécanismes de persistence vis-à-vis des traitements antibiotiques. Une autre perspective intéressante est que les toxines de ces systèmes peuvent être utilisés à leur tour pour développer de nouveaux antibiotiques.

2 articles sont en préparation :

Mechanistic insights in type I toxin antitoxin regulation in Helicobacter pylori.
Hélène Arnion, Lamya EL Mortaji, Sandrine Chabas, Isabelle Iost, Jérémy Reignier, Hilde de Reuse and Fabien Darfeuille <

Presque tous les génomes bactériens, y compris les ceux des agents pathogènes, contiennent un très grand nombre d’opérons toxine-antitoxine (TA). Ces toxines ciblent diverses fonctions cellulaires pour réguler la croissance et la mort des bactéries. Bien que ces systèmes aient d'abord été identifiés comme jouant un rôle clé dans le maintien du plasmide au cours de la division bactérienne, la fonction de ces systèmes lorsqu’ils sont chromosomiques restent énigmatiques. Les hypothèses actuelles proposent un rôle dans la régulation de la croissance ou de la mort cellulaire programmée, en réponse à des conditions de stress (par exemple, la carence, des températures élevées, le stress oxydatif, ou l'exposition aux antibiotiques). Dans le projet BacTox1, nous proposons d'étudier le rôle d’un système chromosomique toxine/antitoxine récemment identifié chez Helicobacter pylori (Hp). Nos résultats préliminaires suggèrent que ce module est constitué de deux gènes exprimés en orientation inverse. L’un des gènes, AapA1, code pour un petit peptide de 30 acides aminés dont l’expression est toxique pour la bactérie. Cette expression est réprimée par un ARN antisens (IsoA1) qui joue le rôle d’antitoxine en prévenant la synthèse de la toxine A1. L’objectif de notre projet est de montrer que cette toxine joue un rôle dans la formation de cellules persistante chez Hp. En effet il semble que certains de ces systèmes TA lorsqu’ils sont exprimés de manière stochastique sont capables d’induire la formation de cellules persistantes. Ces cellules, qui sont présentes en très petit nombre dans une population normale, sont à l’état de dormance et sont ainsi récalcitrantes aux traitements antibiotiques. Afin de tester si cette toxine est exprimée uniquement dans une sous-population de cellules bactériennes en dormance, nous proposons de développer un outil permettant la détection de l’expression de ces toxines dans des cellules bactériennes vivantes. Au cours de ce projet nous envisageons également d'identifier les partenaires ainsi que la structure en solution par RMN de la toxine A1. Nous espérons que ces travaux nous permettront de mieux comprendre le mode d'action de ce type de toxine dans la régulation de la croissance des bactéries. La recherche sur les systèmes TA chromosomiques n'a débuté que très récemment, et de nombreuses questions restent encore sans réponse. Il est probable que de nouveaux systèmes de TA seront découverts dans l’avenir. Le décryptage des mécanismes de leurs activités toxiques offrira de nouvelles perspectives sur les rôles très divers que ces systèmes jouent dans la physiologie des bactéries.

Coordinateur du projet

INSERM U869, (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSERM U869
INSERM U869,
Institut Pasteur, Unité Pathogenèse de Helicobacter

Aide de l'ANR 340 000 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2013 - 36 Mois

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