Streptococcus mutans et les streptocoques buccaux dans la plaque dentaire

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1 1 MINIREVIEW / MINISYNTHÈSE Streptococcus mutans et les streptocoques buccaux dans la plaque dentaire Guillaume G. Nicolas et Marc C. Lavoie Résumé : La flore microbienne buccale humaine constitue un biofilm très diversifié. Vingt-cinq espèces de streptocoques buccaux résident dans la cavité buccale humaine et représentent à peu près 20 % du total des bactéries buccales. La taxonomie de ces bactéries est complexe et reste provisoire. Les streptocoques buccaux englobent à la fois des bactéries inoffensives et dangereuses. Chaque espèce a développé des propriétés spécifiques pour coloniser les différents sites buccaux soumis à de constants changements de conditions, pour combattre les compétiteurs et pour résister aux agressions externes (système immunitaire de l hôte, chocs physico-chimiques, frictions mécaniques). Les déséquilibres dans la flore indigène sont la cause de maladies buccales et sous des conditions propices, des streptocoques commensaux peuvent devenir des pathogènes opportunistes initiateur de maladies et de dommages chez l hôte. Le groupe des «streptocoques mutans» inclu les principales bactéries impliquées dans la formation de la carie dentaire. L espèce Streptococcus mutans, bien que naturellement présente dans la microflore buccale humaine, est considérée comme responsable de l initiation des lésions carieuses. Cette minisynthèse présente l écologie des streptocoques buccaux en décrivant leur mode de vie en biofilm en ciblant le groupe des «streptocoques mutans». Les caractères de virulence, les interactions au sein du biofilm et l influence de S. mutans dans l étiologie de la carie dentaire sont aussi discutés. Mots-clés :streptocoques buccaux, Streptococcus mutans, biofilm, plaque dentaire, caries. Abstract: The human oral microbial biota represents a highly diverse biofilm. Twenty-five species of oral streptococci inhabit the human oral cavity and represent about 20 % of the total oral bacteria. Taxonomy of these bacteria is complex and remains provisional. Oral streptococci encompass friends and foes bacteria. Each species has developed specific properties for colonizing the different oral sites subjected to constantly changing conditions, for competing against competitors, and for resisting external agressions (host immune system, physico-chemical shocks, and mechanical frictions). Imbalance in the indigenous microbial biota generates oral diseases, and under proper conditions, commensal streptococci can switch to opportunistic pathogens that initiate disease in and damage to the host. The group of mutans streptococci was described as the most important bacteria related to the formation of dental caries. Streptococcus mutans, although naturally present among the human oral microbiota, is the microbial species most strongly associated with carious lesions. This minireview describes the oral streptococci ecology and their biofilm life style by focusing on the mutans group, mainly S. mutans. Virulence traits, interactions in the biofilm, and influence of S. mutans in dental caries etiology are discussed. Key words: oral streptococci, Streptococcus mutans, biofilm, dental plaque, caries. Les streptocoques buccaux : commensaux et pathogènes opportunistes Le genre Streptococcus, bien qu encore non nommé comme tel à l époque, a été rapporté pour la première fois en 1683, comme le montrent les croquis d observation microscopique de substances prélevées entre les dents réalisés par Antonie Van Leeuwenhoek. Par la suite, de nombreux chercheurs ont examiné les lésions carieuses et identifièrent Bacillus acidophilus odontolyticus (aujourd hui connus sous le nom de Lactobacillus spp.) comme responsable de la carie dentaire, mais c est Clarke (1924), qui par une approche judicieuse, démontra que les lésions carieuses précoces étaient en fait dominées par un autre microorganisme qu il Reçu le 4 mai Révision reçue le 10 août Accepté le 12 octobre Publié sur le site Web des Presses scientifiques du CNRC, au rcm.cnrc.ca, le 23 décembre G.G. Nicolas 1. Département de biochimie microbiologie et bioinformatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, Québec, QC G1K 7P4, Canada; Food Science and Nutrition Department, Institute for Nutraceuticals and Functional Foods, Université Laval, Québec, QC G1K 7P4, Canada. M.C. Lavoie. Department of Biological and Chemical Sciences, Faculty of Pure and Applied Sciences, The University of the West Indies, Cave Hill Campus, P.O. Box 64 Bridgetown, Barbados, BB11000; Département de stomatologie, Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal, C.P Succursale Centre Ville, Montréal, QC H3C 3J7, Canada. 1. Auteur correspondant (courriel : guillaume.nicolas.1@ulaval.ca). Rev. can. microbiol. 57 : 1 20 (2011) doi: /w10-095

2 2 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 Tableau 1. Espèces couramment reconnues parmi les streptocoques buccaux. Groupe mutans Groupe salivarius Groupe anginosus Groupe mitis S. mutans sérotypes c, e, f, k S. salivarius S. constellatus S. sanguinis subsp. constellatus S. sobrinus sérotypes d, g S. vestibularis S. constellatus S. gordonii subsp. pharyngis S. criceti* sérotype a S. intermedius S. parasanguinis S. ratti* sérotype b S. anginosus S. oralis S. macacae* sérotype c S. mitis S. downei* sérotype h S. cristatus S. ferus* sérotype c S. pneumoniae S. peroris S. infantis S. orisratti* S. australis S. sinensis S. oligofermentans Nota : Groupe mutans : espèces isolées essentiellement de la plaque dentaire. Groupe salivarius : espèces communément isolées à la surface des muqueuses (langue et muqueuse vestibulaire). Groupe anginosus : espèces isolées de la plaque dentaire et des muqueuses. Groupe mitis : groupe le plus commun dans la cavité buccale. Espèces retrouvées à la plupart des sites (dents, salive, langue, muqueuses). Toutes les espèces membres de ce groupe ont été isolées de la cavité buccale humaine, sauf S. orisratti qui a été isolé de la cavité buccale du rat. *Espèces isolées à partir de modèles animaux. Streptococcus macacae et S. downei ont été isolés de singes, S. criceti aété isolé de hamsters, S. ratti et S. ferus ont été isolés de rats. Streptococcus criceti et S. ratti sont rarement retrouvés dans la cavité buccale humaine (Beighton et al. 1991; Facklam 2002). Streptococcus downei aété récemment isolé de la plaque dentaire humaine (Yoo et al. 2005). nomma Streptococcus mutans. En plus d avoir identifié S. mutans, Clarke introduisit le concept de la succession microbienne avec différentes bactéries devenant dominantes à différentes étapes du processus de la formation des caries (Clarke 1924; Russell 2008). L origine étymologique du mot Streptococcus provient du grec «strepto» (torsadé) et «coccus» (sphérique). Le genre Streptococcus comprend 92 espèces reconnues à ce jour et présentes dans un large éventail d environnements (Euzéby 1997; Facklam 2002). Historiquement, la classification des streptocoques était basée sur le schéma de Lancefield, qui regroupe les souches de streptocoques en fonction de la composition en sucres des antigènes de la paroi cellulaire (Lancefield 1933). Ces antigènes sont soit des polysaccharides (définissant les groupes A, B, C, E, F, G), des acides téichoïques (groupes D et N), ou des acides lipotéichoïques (groupe H) (Rosan 1973). Cette approche de classification a permis de distinguer la plupart des streptocoques pathogènes, cependant, le fait que certains antigènes pouvaient être partagés par d autres espèces appartenant à différents taxons empêcha sa généralisation. Les espèces de Streptococcus sont maintenant communément regroupées en 6 groupes phylogénétiques (anginosus, bovis, mitis, mutans, pyogenic et salivarius) selon les séquences de leur ARN ribosomique 16S (Kawamura et al. 1995; Facklam 2002) (fig. 1). La classification des streptocoques buccaux a toujours été difficile pour les taxonomistes, avec les fréquents changements dans la systématique reflétant une amélioration continue dans les techniques et approches pour différencier les espèces et les souches. La classification des streptocoques buccaux était essentiellement basée sur des propriétés biochimiques et physiologiques, auxquelles se sont ajoutées par la suite des données génétiques, particulièrement basées sur les homologies de séquence d ADN et le séquençage des gènes ARNr 16S (Whiley et Beighton 1998). Les streptocoques buccaux sont encore souvent cités comme le groupe des streptocoques viridans, à cause du verdissement des géloses sang produit par la croissance des colonies. Cette propriété est référée comme hémolyse de type alpha et indique la production de peroxyde d hydrogène notamment rapportée pour des souches de Streptococcus gordonii, Streptococcus mitis, S. mutans, Streptococcus oralis, Streptococcus parasanguinis et Streptococcus sanguinis. Seul le groupe pyogène est b-hémolytique produisant une hémolyse complète sur gélose sang (Coykendall 1989). Toutes les espèces listées dans le tableau 1 peuvent être reconnues comme des streptocoques viridans. Toutefois cette désignation ne représente pas seulement les streptocoques buccaux, car des espèces de streptocoques reconnues sous le vocable viridans peuvent provenir d environnements aussi divers que le tractus gastrointestinal (p.ex. Streptococcus hyointestinalis), génito-urinaire (Streptococcus agalactiae) ou encore des produits dérivés du lait (Streptococcus thermophilus) (Facklam 2002). Paradoxalement, avec l avancement des technologies basées sur l ADN pour différencier les espèces bactériennes, un manque de consensus définissant le concept même d espèce bactérienne s est développé (Cohan 2002). De nombreux débats s animent autour de ce qui définit aujourd hui une espèce dans le monde procaryote (Achtman et Wagner 2008; Fraser et al. 2009; Papke 2009). Les analyses génomiques démontrent que des souches d une même espèce peuvent différer de plus de 30 % dans leur contenu génétique, posant ainsi la question de savoir si elles appartiennent vraiment à la même espèce. Les analyses dites «pangénomique» comparent ainsi les génomes de plusieurs souches au sein d une même espèce et suggèrent que l espèce soit définie par un génome essentiel nommé «core genome», tandis que les variabilités génomiques (en l occurrence les facteurs de virulence) existant chez certaines

3 Nicolas et Lavoie 3 Fig. 1. Liens phylogénétiques entre 35 espèces de streptocoques basés sur la comparaison de séquence des gènes encodant pour l ARN 16S. Pour illustrer la complexité de la classification des streptocoques, des espèces non isolées de sites buccaux ont été ajoutées pour construire le dendogramme. Les séquences de l ARN 16S ont été collectées dans la banque de donnée du NCBI ( entrez) et ont été utilisées pour générer le dendogramme. L analyse phylogénétique a été exécutée en utilisant le service internet Phylogeny.fr ( Dereeper et al. 2008). Les séquences ont été alignées en utilisant le programme MUSCLE version 3,7 (Edgar 2004) par défaut. Le dendogramme a été construit avec le programme de probabilité maximale exécuté en PhyML version 3,0 (Guindon and Gascuel 2003), et est visualisé par TreeDyn (Chevenet et al. 2006). Le dendogramme final présenté est généré par une exportation des résultats de l analyse (en format Newick) dans FigTree version 1,3.1 (

4 4 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 souches de l espèce seraient considérées comme un génome nommé «dispensable» (Medini et al. 2005; Tettelin et al. 2008). Ainsi la classification des streptocoques buccaux reste transitoire et sera amenée à subir des révisions en fonction de l avancement dans le séquençage des différents génomes. Les streptocoques buccaux peuvent être organisés en 4 groupes : mutans, salivarius, anginosus, et mitis (tableau 1). D autres streptocoques non buccaux, tels que les streptocoques des groupes A et B de Lancefield, peuvent aussi être isolés de sites buccaux ou de sites proches comme le nasopharynx. Ces espèces ne sont cependant pas classifiées comme résidentes de la flore buccale mais sont plutôt considérées comme étant passagères, car la cavité buccale n est pas leur site privilégié de colonisation. Les espèces de streptocoques buccaux déploient des mécanismes spécifiques pour coloniser les sites de la cavité buccale humaine, du pharynx et du nasopharynx. Certaines espèces sont aussi capables de coloniser plusieurs sites (tableau 2). Groupe mutans Le nom de ce groupe provient du fait que les cellules bactériennes possèdent la capacité de perdre leur forme de coque et apparaissent souvent comme de courts bâtonnets ou cocco-bacilles. Huit sérotypes ont été définis (a h) basés sur la spécificité sérologique des antigènes présents sur la paroi cellulaire. Ces 8 sérotypes ont ensuite été divisésen7 espèces distinctes (tableau 1) (Whiley et Beighton 1998). La composition en sucre des polysaccharides spécifiques à chaque sérotype de chaque espèce a été rapportée. Ces polysaccharides se composent d une combinaison de glucose, de rhamnose et de galactose. Pour les sérotypes a, d et g, les antigènes contiennent du glucose, du galactose et du rhamnose; pour les sérotypes c, e et f, les antigènes se composent de glucose et de rhamnose; les antigènes pour le sérotype b sont constitués de galactose et de rhamnose et ceux pour le sérotype h de galactose et de glucose. Les polysaccharides spécifiques des sérotypes de S. mutans (c, e et f) sont composés de rhamnose et de glucose (Coykendall et Gustafson 1986; Coykendall 1989). Plusieurs études ont aussi montré l existence de souches de S. mutans non sérotypables pour lesquelles aucune description précise de la composition en sucre des polysaccharides spécifiques du sérotype n était disponible (Nakano et Ooshima 2009). Un neuvième sérotype (sérotype k) aété identifié chez S. mutans (Nakano et al. 2004). Le sérotype c est le sérotype le plus retrouvé dans la cavité buccale humaine (à 70 % 80 %), suivi par le sérotype e (approximativement 20 %), tandis que les sérotypes f et k sont les plus rares (moins de 5 %) (Nakano et Ooshima 2009). La cavité buccale humaine renferme un nombre considérable d espèces bactériennes (évalué à plus de 500) (Kolenbrander 2000; Dewhirst et al. 2010). Leur distribution au sein de la cavité buccale varie à la fois qualitativement et quantitativement en fonction de leur site spécifique de colonisation. Les espèces du groupe des Streptococcus mutans (SM) (S. sobrinus, S. cricetus, S. rattus et S. sanguinis) retrouvées en grand nombre sur les dents, tandis que S. salivarius est principalement isolé sur la langue, et S. vestibularis colonise spécifiquement les muqueuses du vestibule Tableau 2. Sites de colonisation de la cavité buccale en fonction de l espèce ou du groupe de streptocoques buccaux. Muqueuse buccale Amygdales Muqueuse vestibulaire Salive Pharynx Langue Nasopharynx Surface des dents S. mitis S. sanguis, S. mitis, S. mutans S. mitis, S. oralis S. salivarius, S. mitis S. vestibularis S. salivarius, S. mitis, S. oralis Espèce Streptococcus pneumoniae Mitis, anginosus Mitis, anginosus Mitis, anginosus Mitis, anginosus Groupe Mutans, mitis, anginosus

5 Nicolas et Lavoie 5 buccal (Whiley et Hardie 1988; Smith et al. 1993). Streptococcus mitis biovar 1, S. oralis, et S. salivarius sont les organismes pionniers de la cavité buccale des nouveau-nés et colonisent les muqueuses (Pearce et al. 1995). Streptococcus sanguinis et S. mutans s établissent dans la bouche seulement après l éruption des dents (Caufield et al. 1993; Smith et al. 1993; Tappuni et Challacombe 1993; Könönen et al. 2002) (tableau 2). Les espèces S. mutans et S. sobrinus joueraient un rôle prédominant dans la formation des caries dentaires et ont aussi été associées aux endocardites et autres infections du cœur (Mitchell 2003; Banas 2004; Kuramitsu 2006). Streptococcus mutans est rapporté comme étant principalement associé aux caries coronaires, tandis que S. sobrinus est plutôt associé aux caries des surfaces lisses (Loesche 1986). Les espèces du groupe mitis telles que S. sanguinis et S. oralis sont les plus communément responsables des endocardites (Banas 2004). L association primaire entre S. mutans et la formation de caries dentaires n a été reconnue que dans les années 1960 (Fitzgerald et Keyes 1960; Keyes 1960) malgré les travaux initiaux de Clarke (1924). Cette association précoce provient de la forte corrélation généralement observée lors d études épidémiologiques entre la présence de S. mutans et celle de caries, et en contre partie, de la faible abondance de bactéries S. mutans retrouvées en l absence de caries, ainsi que de sa capacité à générer des lésions carieuses dans les modèles animaux (Loesche 1986). Cependant, la formation des caries dentaires peut se produire en l absence d une forte proportion de SM et inversement, que la présence d une forte proportion de SM au sein d une plaque dentaire n induise pas de formation de carie dentaire (Beighton 2005). Dans ce cas l absence de carie pourrait s expliquer par une résistance de l émail aux attaques acides ou par un régime alimentaire non cariogène des individus. Aussi il semblerait qu une grande diversité de bactéries soit présente au sein même de la carie (Chhour et al. 2005). En fait, un déterminant majeur dans l apparition des caries semble être le régime alimentaire, particulièrement la consommation de sucrose favorisant la formation de glucans insolubles dans l eau par les SM, ce qui assure la colonisation et le maintien des bactéries sur les dents par la formation d un biofilm (Lingström et al. 2000; Zero 2004; Paes Leme et al. 2006). L acide produit par la métabolisation des sucres déminéralise l émail des dents. L acidogénicité et l acido-résistance associées à la production de glucans insolubles consituent les principaux facteurs de virulence des SM. Les caractères de virulence de Streptococcus mutans Pour s établir au sein de la cavité buccale, les microorganismes doivent adhérer aux dents ou aux surfaces des muqueuses. L adhérence est assurée par des molécules d adhésion (polysaccharides, acides lipotéchoïques, glucosyltransférases, et des lectines) présentes à la surface des cellules ou associées à des structures cellulaires (fimbriae, capsules) et par les récepteurs situés sur les surfaces buccales (composants salivaires : glycoprotéines, mucines, amylase, lysozyme, immunoglobulines A et G, protéines riches en proline, et des statherines; composants bactériens : glucans, glucosyltransférases). Les bactéries peuvent aussi coloniser les surfaces de l hôte en adhérant aux autres bactéries déjà adhérées à la cavité buccale par co-adhésion. Les mécanismes de co-adhésion permettent à des bactéries de coloniser les surfaces buccales et d assurer ainsi le développement du biofilm que constitue la plaque dentaire. Ces mécanismes de co-adhésion incluent des liaisons par les lectines à leurs récepteurs spécifiques et des liaisons par des polysaccharides extracellulaires (glucans et fructans) (Kolenbrander et al. 1993; Whittaker et al. 1996; Marcotte et Lavoie 1998; Kuramitsu et al. 2007; Hojo et al. 2009; Nobbs et al. 2009). L adhérence puis la colonisation de la surface des dents par les SM sont contrôlées par un processus à deux étapes : un attachement initial des cellules de façon indépendante du sucrose suivi d une accumulation de cellules dépendante du sucrose. L adhésion de façon indépendante du sucrose à des composants de la salive au sein de la pellicule de l émail initie le processus d attachement, tandis que le processus de colonisation dépendant du sucrose assure un maintien permanent à la plaque (Nobbs et al. 2009). Les protéines de surface antigènes (antigène I/II, aussi nommées PAc, SpaP, antigène B, IF, P1, SR) permettent à S. mutans une adhésion aux protéines riches en proline (Russell et Mansson- Rahemtulla 1989). Ces protéines assurent aussi une liaison à l agglutinine de la salive, à des composants de la salive, et à d autres bactéries de la plaque comme Actinomyces spp., Fusobacterium nucleatum, Veillonella spp., Porphyromonas gingivalis et Haemophilus parainfluenzae (Kolenbrander et al. 1993; Mitchell 2003; Banas 2004; Kuramitsu et al. 2007). La colonisation dépendante du sucrose nécessite la synthèse de glucans par des glucosyltransférases (GTFs) à partir de dissaccharides (Banas 2004). Chez S. mutans gtfb code pour une enzyme produisant des glucans de liaison a- 1,3 insolubles dans l eau, gtfc produit des glucans de liaison a-1,3 et a-1,6, gtfd produit des glucans de liaison a-1,6 ou dextran, solubles dans l eau (Banas 2004; Kuramitsu 2006). Chacun des gènes gtfbcd semblent nécessaires pour la formation des caries sur des surfaces lisses (Yamashita et al. 1993). Cependant, la raison pour laquelle S. mutans requiert plusieurs GTFs n est pas connue, bien qu un ratio particulier de chacune soit nécessaire pour une adhésion optimale (Ooshima et al. 2001). Streptococcus mutans expose à la surface de ses cellules des protéines non enzymatiques liant les glucans («glucanbinding proteins» ou GBPs). Quatre types de GBPs (A D) ont été identifiés (Banas et Vickerman 2003). Chez S. mutans, certaines GPBs sont impliquées dans le maintien des biofilms (Lynch et al. 2007), elles peuvent aussi affecter l architecture des biofilms formés par d autres espèces (Banas et al. 2007), d autres encore sont impliquées dans la formation de complexes protéiques assurant la synthèse de peptidoglycans et la division cellulaire (Mattos-Graner et al. 2006). En plus des protéines et des enzymes assurant une adhésion dépendante du sucrose, S. mutans synthétise d autres protéines impliquées dans le métabolisme des sucres. Des études métaboliques démontrent d ailleurs que la majorité du sucrose métabolisé par S. mutans est transporté à l intérieur de la cellule pour la production d énergie par fermentation. Seulement une petite partie est utilisée comme substrat pour la synthèse de polysaccharides extracellulaires

6 6 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 (fructans et glucans) (Tanzer 1972; Hamada et Slade 1980). De plus, une partie du sucrose consommé est transformée en polysaccharide intracellulaire de réserve ressemblant au glycogène principalement utilisé lors des périodes de jeûne (Minah et Loesche 1977; Kreth et al. 2008b). Les enzymes impliquées dans la biosynthèse d exopolysaccharides sont une fructosyltransférase qui produit des fructans à partir du sucrose, une endodextranase extracellulaire impliquée à la fois dans la dégradation des glucans et la synthèse de glucans complexes fournissant des substrats aux GTFs (Kuramitsu 2006). Par fermentation des sucres, S. mutans peut produire du lactate, du formate, de l acétate, et de l éthanol. La distribution précise des produits de fin de fermentation dépend des conditions de croissance. Par exemple, quand le glucose est abondant, le lactate est le produit majoritaire (Hamada et Slade 1980). L acide lactique produit se complexe au calcium présent dans les cristaux d hydroxyapatite à la surface des dents et entraîne la déminéralisation. Des souches déficientes en lactate déhydrogénase (LDH) sont moins cariogènes (Fitzgerald et al. 1989). Cette propriété a été utilisée pour créer une souche de S. mutans déficiente en LDH et productrice d une mutacine (bactériocine produite par S. mutans (Nicolas et al. 2007)) de façon à éliminer les souches plus cariogènes, ceci afin d utiliser cette souche comme agent de remplacement par thérapie microbienne pour lutter contre la formation de caries (Hillman et al. 2000; Hillman 2002). Généralement, S. mutans produit de l acide de façon plus rapide que les autres streptocoques buccaux et à des ph compris entre 5,0 et 7,0 (de Soet et al. 2000) spécialement lors de la métabolisation du sucrose, considéré comme le sucre le plus cariogène (Paes Leme et al. 2006). Streptococcus mutans est capable de maintenir son activité glycolytique à des niveaux de ph qui sont inhibiteurs de croissance pour d autres espèces. L acidogénicité de S. mutans conduit à un changement écologique dans la flore de la plaque et induit une augmentation de la proportion de S. mutans ainsi que d autres espèces acidogènes et acido-tolérantes. L acidorésistance de S. mutans et son acidogénicité le distinguent donc des autres streptocoques buccaux et lui confère un avantage compétitif au sein de la plaque. La tolérance à l acide de S. mutans est assurée par plusieurs mécanismes (Matsui et Cvitkovitch 2010). On retrouve principalement la fonction d une pompe à proton F 1 F 0 -ATPase qui exclue les protons dans l environnement extracellulaire qui devient plus acide. Cette utilisation de la pompe à proton consomme beaucoup d ATP et a pour effet de réduire ainsi la croissance cellulaire (Hamilton et Svensäter 1998). Cette tolérance à l acide implique aussi une adaptation génétique et phénotypique (Dashper et Reynolds 1996). Ces changements constituent la réponse de tolérance à l acide (ATR, «acid tolerance response») (Svensäter et al. 1997; Welin-Neilands et Svensäter 2007). L expression de plus d une centaine de gènes et de protéines peut être modifiée chez S. mutans suite à des modifications du ph environnant (Hamilton et Svensäter 1998; Svensäter et al. 2000; Wilkins et al. 2002; McNeill et Hamilton 2003; Welin et al. 2003; Len et al. 2004a; Gong et al. 2009). À ph 5,5, 14 % du génome de S. mutans est exprimé différemment, 169 gènes sont surexprimés et 108 sont réprimés. Ces gènes sont catégorisés en 9 groupes fonctionnels différents tels que le métabolisme énergétique, le transport de protéines, la transduction du signal, le métabolisme des acides nucliéques (Gong et al. 2009). Un choc acide faisant passer le ph de 7,5 à 5,0 entraîne la surexpression de 64 protéines (Svensäter et al. 2000). Une croissance à ph 7,0 ou 5,0 révèle la surexpression de 18 protéines et la répression de 12 protéines par comparaison protéomique. Treize de ces protéines sont directement impliquées dans le transport des sucres et de leur métabolisme (Wilkins et al. 2002). Len et al. (2004a) ont comparé le protéome de S. mutans en croissance à ph 7,0 et ph 5,0 et identifièrent que la majorité des enzymes, dont le niveau d expression avait changé, appartenaient aux voies métaboliques de la glycolyse, de la production d acide, et de la synthèse d acides aminés. Les protéines requises pour le maintien de l intégrité de l ADN, la fidélité de transcription, l efficacité de traduction et les protéines chaperones sont aussi surexprimées durant une croissance à un ph acide (5,0) comparativement à un ph de 7,0 (Len et al. 2004b). D autres mécanismes de résistance à l acide, en plus de l induction des protéines de stress, incluent les changements des protéines associées aux membranes et la composition des membranes en acides gras (Fozo et al. 2007; Hasona et al. 2007). Aussi, S. mutans active des voies métaboliques impliquées dans le recyclage du carbone des produits acides de fin de fermentation en catabolites plus alcalins afin de rehausser son ph intracellulaire (système de production d ammonium (à partir de l urée et de l arginine), système de déiminase agmatine, fermentation malolactique) (Griswold et al. 2004; Sheng et Marquis 2007; Nascimento et al. 2009). La tolérance à l acide est accrue par le système de déiminase de l agmatine qui catalyse la conversion de l agmatine, un dérivé décarboxylé de l arginine toxique pour les cellules, en putrescine, CO 2,etammonium, avec une génération concomitante d ATP. Ainsi le cytoplasme cellulaire est neutralisé, et l ATP assure la croissance et le maintien des cellules (Griswold et al. 2006). De la même façon, le système de fermentation malolactique catalyse la décarboxylation de l acide malique en acide lactique et CO 2, conduisant à une alcalinisation du cytoplasme et à une synthèse d ATP (Sheng et Marquis 2007). La synthèse de glucans insolubles et la formation de biofilm améliorent aussi la tolérance à l acide. Les cellules de S. mutans en biofilm sont capables de mieux résister à de plus faibles ph que des cellules en croissance planctonique (McNeill et Hamilton 2003). Dans les biofilms, le système de «quorum sensing» CSP-ComDE peut aussi efficacement induire l ATR (Li et al. 2002). D autres systèmes de transduction de signal à 2 composants (TCS) jouent un rôle primordial dans les réponses cellulaires à des conditions environnantes acides (ph 5,5) (Li et al. 2002; Gong et al. 2009). Parmi les 14 TCS du génome de S. mutans, 2 TCS nommés ComDE et LiaFSR sont principalement associés avec l adaptation aux conditions acides, la formation de biofilm et la compétence génétique (Li et al. 2002). Les principaux caractères de virulence retrouvés chez S. mutans sont présentés à la figure 2. D autres facteurs potentiels de virulence retrouvés chez S. mutans et ayant possiblement un rôle dans le développement des caries sont listés dans le tableau 3. En résumé, les principaux mécanismes physiologiques induits par S. mutans pour résister au stress sont la synthèse de pompes à proton ATPase, la génération

7 Nicolas et Lavoie 7 Fig. 2. Les principaux caractères de pathogénicité de Streptococcus mutans. GBPs (protéines liant les glucans), GTFs (glucosyltransférases), FBPs (protéines liant la fibronectine), SAG (agglutinine glycoprotéine salivaire). Adapté de Mitchell (2003). d ATP, l altération du catabolisme, la réparation d ADN, la synthèse de protéines de réparation, l alcalinisation du cytoplasme et l altération de l enveloppe cellulaire (Lemos et al. 2005). Le mode de vie en biofilm Les streptocoques buccaux se développent naturellement sous la forme de biofilm, constituant ainsi un ensemble de diverses communautés microbiennes attachées aux dents et aux muqueuses (Jefferson 2004; Hojo et al. 2009; Nobbs et al. 2009). Ce phénomène a été particulièrement étudié chez S. mutans qui est considéré comme un pathogène primordial dans la formation de la carie dentaire (Lemos et al. 2005; Lemos et Burne 2008). Streptococcus mutans évolue naturellement dans le biofilm que constitue la plaque dentaire et n est pas considéré comme étant un colonisateur initial de la plaque qui adhère aux dents, contrairement à d autres espèces de streptocoques oraux (S. oralis, S. sanguinis, S. mitis, S. gordonii) (Kolenbrander et al. 2002), mais semble coloniser la plaque dentaire suite à une transmission de la mère à l enfant durant une fenêtre étroite d infectivité (Caufield et al. 1993). Un biofilm est constitué de cellules sessiles ou attachées en colonies et de cellules planctoniques, proximales non attachées et viables. Le biofilm permet aux cellules bactériennes de se protéger de différents mécanismes antibactériens issus de la salive, d injures physiques et chimiques issues de l environnement buccal et de l antagonisme microbien qui y règne (Marcotte et Lavoie 1998; Senadheera et Cvitkovitch 2008; Hojo et al. 2009). Aussi, un mutualisme peut s établir pour le partage de nutriments et de l activité de métabolites entre espèces voisines ainsi qu avec l hôte même (Kolenbrander et al. 2002). Les biofilms sont donc constitués de communautés microbiennes à structure complexe et dynamique qui s accumulent par une colonisation séquentielle et ordonnée d une multitude d espèces (Kolenbrander et al. 2002; Hojo et al. 2009) (fig. 3). Les biofilms se forment par un attachement initial des cellules à une surface. La fixation des cellules induit une différentiation phénotypique. Une production accrue d exopolymères

8 8 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 Tableau 3. Identification des principaux facteurs de virulence de Streptococcus mutans. Protéine et facteur de virulence Fonction ou rôle Locus; gène Antigène I/II, SpaP, adhésine protéine de surface Adhésion des cellules en l absence de sucrose SMU.610; spap/pac cellulaire GbpA, protéine d agrégation dépendante du glucan Agrégation cellulaire par liaison au glucan SMU.2112; gbpa GbpC, protéine d agrégation dépendante du glucan Agrégation cellulaire par liaison au glucan SMU.1396; gbpc en réponse au stress GbpD, protéine d agrégation dépendante du glucan Agrégation cellulaire par liaison au glucan SMU.772; gbpd PavA, protéine liant la fibronectine Liaison à la fibronectine SMU.1449; fbp54 Sortase, protéine ancre Protéine ancre des adhésines de surface SMU.1113; srta GtfB, glucosyltransférase Production de glucans insolubles dans l eau de SMU.1004; gtfb liaison a-1,3 GtfC, glucosyltransférase Production de glucans insolubles dans l eau de SMU.1005; gtfc liaisons a-1,6 et a-1,3 GtfD, glucosyltransférase Production de glucans insolubles dans l eau de SMU.910; gtfd liaison a-1,6; agrégation cellulaire par liaison aux glucans Récepteur liant la plasmine, glyceraldehyde-3- Liaison à la plasmine SMU.360; plr/gapa phosphate dehydrogenases (GADPH) WapA, protéine A Agrégation cellulaire indépendante du sucrose SMU.987; wapa Capsule Évasion immunitaire, résistance au complément SMU.246/322c/ / 1457/1460/1461 SloC, protéine liant les métaux Transport des métaux (Mn 2+ et Zn 2+ ) dans le SMU.184; psaa cytoplasme; adhésine de surface Protéase (C3) Dégradation du C3 SMU.399; cppa Sérine protéase Maturation des protéines sécrétées SMU.2164; htra/degp Facteur de déclanchement Sécrétion et maturation des protéases cystéines SMU.91; tig/ropa Ftf, fructosyltransférase Synthèse de fructans, réserve énergétique SMU.2028; sacb/ftf FruA, fructanases Digestion des fructans, production d énergie SMU.78; frua FruB, fructanases Digestion des fructans, production d énergie SMU.79; frub DexA, dextranase extracellulaire Synthèse de polymère de glucose SMU.2042; dexa DexB, dextranase intracellulaire Synthèse de polymère de glucose SMU.883; dexb GlgA, glycogène synthase Accumulation intracellulaire de polysaccharides, SMU ; GlgA réserve énergétique; métabolisme du glycogène GlgB, enzyme de branchement des glucans Accumulation intracellulaire de polysaccharides, SMU ; GlgB réserve énergétique; métabolisme du glycogène GlgC, glucose-1-phosphate adénylyltranférase Accumulation intracellulaire de polysaccharides, SMU ; GlgC réserve énergétique; métabolisme du glycogène GlgD, protéine de biosynthèse Accumulation intracellulaire de polysaccharides, réserve énergétique; métabolisme du glycogène SMU ; GlgD Nota : La base de donnée «virulence factor of pathogenic bacteria» ( (Yang et al. 2008) et celle du laboratoire national de bioinformatique de Los Alamos (LANL Oralgen database) ( ont été utilisées pour l identification des principaux facteurs de virulence dans le génome de S. mutans (NC_004350). Informations également compilées de Mitchell (2003), Banas (2004) et Kuramitsu (2006). (exopolysaccharides, protéines, acides nucléiques) par les cellules renforce le lien entre l amas de cellules qui s accroît et la surface de fixation. Le passage des cellules de l état planctonique à un mode de croissance en biofilm induit également un changement dans l expression et la régulation de plusieurs gènes. L architecture typique du biofilm, formé d un ensemble de microcolonies séparées par des canaux de circulation et décrivant des formes de champignon, se développe et mature. Des cellules peuvent se libérer du biofilm et se disperser aux alentours pour former de nouveaux amas cellulaires permettant ainsi au biofilm de prendre de l expansion (Davey et O toole 2000; Stoodley et al. 2002; Kolenbrander et al. 2010). Communication cellule à cellule au sein du biofilm Des signaux intra- et inter-espèces stimulent et contrôlent le développement et la densité d un biofilm. Quand une densité de cellules critique est atteinte, un «quorum sensing» s établit au sein de chaque espèce constituant le biofilm (Merritt et al. 2003; Suntharalingam et Cvitkovitch 2005; Nobbs et al. 2009; Kolenbrander et al. 2010). La communication cellule à cellule au sein d une même espèce s établit par la sécrétion d un peptide stimulateur de la compétence (CSP pour «competence stimulating peptide») par les cellules à Gram positif ou par la sécrétion de

9 Nicolas et Lavoie 9 Fig. 3. Étapes dans la formation de la plaque dentaire. Les cellules colonisatrices primaires s attachent à la pellicule de surface des dents. Les cellules passent alors d un état planctonique à un état sessile. Les cellules colonisatrices secondaires se fixent aux colonisateurs primaires par des mécanismes de co-agrégation. Au sein de la plaque en formation, la co-adhésion entre différents genres bactériens intensifie la colonisation. Il se crée des interactions de communication métabolique et des échanges génétiques entre les diverses cellules. Au sein du biofilm règnent des interactions de mutualisme mais aussi d antagonisme. La matrice du biofilm a un effet protecteur sur les cellules contre les injures externes. Des cellules peuvent se désagréger du biofilm et se disperser pour coloniser d autres surfaces. Adapté de Hojo et al. (2009). petites molécules diffuses (acyl homosérine lactone) entre cellules à Gram négatif (Lyon et Novick 2004). Entre chaque espèce, la communication se fait par la sécrétion de l auto-inducteur 2 (AI-2) (ou système LuxS) considéré comme la molécule universelle de signal inter-espèce (Kolenbrander et al. 2002; Merritt et al. 2003; Suntharalingam et Cvitkovitch 2005; Yoshida et al. 2005; Keller et Surette 2006). L enzyme S-adénosylhomocystéinase (LuxS) est impliqué dans le catabolisme de la S-adénosylméthionine et convertit les riboses homocystéinés en homocystéine et 4,5- dihydroxy-2,3-pentanedione, le précurseur de l AI-2 (Keller et Surette 2006). Des homologues du gène luxs sont détectés au sein de plusieurs génomes de bactéries buccales de genres différents (Streptococcus, Treponema, Aggregatibacter, Actinomyces, Prevotella, Fusobacterium, Porphyromonas) en utilisant l explorateur des génomes du BROP (Bioinformatics Resource of Oral Pathogens, (Chen et al. 2005) et en criblant les génomes du Human Oral Microbiome ( (Chen et al. 2008; Dewhirst et al. 2010). Cependant d autres études indiquent l absence d homologue des récepteurs de l AI-2, LsrB (protéine liant l AI-2 présent chez Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium) ou LuxP (récepteur retrouvé seulement chez Vibrio harveyi et V. cholerae), chez de nombreuses espèces buccales. Seul Aggregatibacter actinomycetemcomitans possède un homologue à LsrB. Ceci laisse supposer l existence de récepteurs additionnels chez les bactéries buccales, à l instar d une protéine liant les riboses, RbsB, identifiée également chez A. actinomycetemcomitans (Taga et al. 2003; Shao et al. 2007; Kolenbrander et al. 2010). Des débats persistent donc à savoir si LuxS/AI-2 représente un véritable système de «quorum sensing» universel et si la conservation de l enzyme LuxS chez les procaryotes n est pas en fait due à son implication dans le cycle métabolique du méthyle plutôt qu à un rôle dans la signalisation inter-espèce (Winzer et al. 2002; McNab et Lamont 2003; Holmes et al. 2009). Ces 2 systèmes de «quorum sensing» (CSP-ComDE et LuxS/AI-2) ont été étudiés chez S. mutans qui à l instar de nombreuses espèces de streptocoques est naturellement compétent. La compétence est la capacité d une cellule à internaliser et recombiner de l ADN exogène provenant de l environnement. Cette propriété conduit à la transformation génétique (Cvitkovitch 2001). Chez S. mutans, le «quorum sensing» intra-espèce généré par le CSP limite la densité des colonies sessiles en contrôlant le taux de croissance et en induisant les facteurs d autolyse des cellules compétitrices au sein du biofilm (van der Ploeg 2005; Wang et Kuramitsu 2005; Kreth et al. 2008a). Le CSP codé par le gène comc est exporté et maturé par le transporteur ABC (ComA-ComB). Le CSP extracellulaire est détecté par le récepteur membranaire polytopique à histidine kinase (HK) ComD. La liaison du CSP à son récepteur stimule son autophosphorylation.

10 10 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 ComD phosphorylé transfert son groupe phosphoryle à un régulateur de réponse (RR) qui lui est associé ComE. ComD ComE constitue un système de régulation à 2 composants. ComE phosphorylé va activer l expression des gènes primaires impliqués dans la compétence soit le régulon comab, comcde et comx. Ces gènes sont précédés par une séquence inversée répétée à laquelle ComE se lie (Li et al. 2002; Martin et al. 2006). Le gène comx code pour un facteur sigma spécifique de la compétence ComX qui reconnaît une séquence promotrice spécifique désignée «combox»présente en amont des gènes secondaires de compétence. Les gènes secondaires de compétence codent pour la machinerie nécessaire au prélèvement et au traitement de l ADN exogène (Merritt et al. 2005b; Claverys et al. 2006). Chez S. mutans, malgré des similarités avec le régulateur ComE de S. pneumoniae (microorganisme modèle à défaut des mécanismes de régulation de la compétence chez les streptocoques), un mode répressif de régulation de comc et une réponse tardive à une activation par le CSP se sont développés (Kreth et al. 2007). Chez les streptocoques, des homologues au système ComDE (HK/RR) se distribuent parmi des groupes de gènes associés à la régulation de la compétence com, à la biosynthèse de bactériocines blp, et à la production de streptokinase (système Fas) (Martin et al. 2006). Pour S. mutans la fonction primaire du système ComDE serait la régulation de la production de bactériocines plutôt que celle de la compétence (Kreth et al. 2006; Martin et al. 2006). Sous le contrôle du régulon comcde, le CSP est synthétisé puis relâché dans l environnement extracellulaire. La concentration environnante de CSP influence directement le devenir d une cellule. Une faible dose de CSP engendre la formation d un biofilm (Li et al. 2002; Yoshida et al. 2005), et à trop forte dose, le CSP inhibe la croissance et tue les cellules (Qi et al. 2005; Perry et al. 2009a; Zhang et al. 2009; LoVetri et Madhyastha 2010). Au sein d une même espèce de streptocoques naturellement compétents, les récepteurs ComD sont conservés et répondent à des phérotypes de compétence spécifiques, bien que très diversifiés (Håvarstein et al. 1997; Iannelli et al. 2005). Les récepteurs ComD permettent la reconnaissance et le déclenchement des signaux en réponse à des CSP homologues (Allan et al. 2007; Cornejo et al. 2010). En parallèle à l augmentation de la concentration de CSP, les cellules réceptives initient la transcription de gènes qui augmentent les traits de virulence d une cellule, incluant aussi sa tolérance au stress (Ahn et al. 2005; Kreth et al. 2005; Merritt et al. 2005a; Wang et Kuramitsu 2005). Ainsi, la compétence cellulaire ou l habilité de prélever et d intégrer de l ADN exogène issu de cellules lysées environnantes est facilité. L ADN relâché semble aussi stimuler la formation de biofilm en en constituant une partie de la matrice (Petersen et al. 2005). La production de bactériocines régulées par le CSP est une étape cruciale dans le processus de formation d un biofilm, entraînant la lyse et le relâchement de l ADN de cellules cibles sensibles. Par exemple, le CSP stimule S. mutans à produire la mutacine IV qui cause le relargage d ADN par des cellules voisines de S. gordonii (Kreth et al. 2005, 2008a; Wang et Kuramitsu 2005). Le relâchement d ADN par les cellules cibles est vraisemblablement le résultat de l activité d autolysines produites par les cellules elles-mêmes. Plusieurs autolysines ont été caractérisées chez les streptocoques buccaux (Chatfield et al. 2005; Shibata et al. 2005), et leur activité semble être directement liée au développement de la compétence (Kausmally et al. 2005; Perry et al. 2009b) (fig. 4). Chez les streptocoques, la phéromone CSP a été initialement identifié comme un peptide qui s accumulait passivement en proportion avec la densité cellulaire et qui agissait à la manière d un signal au sein d un système conventionnel de «quorum sensing» pour activer les régulons de la compétence à une densité cellulaire spécifique (Claverys et al. 2006). Cependant des travaux avec S. mutans lièrent les mécanismes de la compétence à ceux de la réponse de l organisme au stress (Li et al. 2002; Wen et al. 2005; Senadheera et al. 2007). De plus, une série d observations chez S. pneumoniae et S. mutans montre que le CSP serait en fait un peptide induit par le stress et agirait comme une phéromone alarme déclenchant l expression de gènes de réponse au stress (Claverys et al. 2006; Perry et al. 2009b). Le système AI-2 inter-espèce régule la densité et l architecture des biofilms plutôt que le taux de croissance des cellules libres au sein des biofilms chez S. mutans (Wen et Burne 2004; Yoshida et al. 2005). La suppression de LuxS peut affecter la formation de biofilm par S. mutans (Merritt et al. 2003), mais la production de LuxS par plusieurs autres espèces de streptocoques buccaux ou encore d autres espèces à Gram positif ou à Gram négatif au sein du biofilm permet de complémenter et de stimuler la formation du biofilm composé d espèces mixtes incluant S. mutans (Yoshida et al. 2005; Rickard et al. 2006). Chez S. mutans, LuxS contrôle aussi la production de bactériocines (Merritt et al. 2005a). Les streptocoques voisins compétents et d autres espèces, par l intermédiaire de l activité de ces bactériocines, peuvent internaliser de l ADN intragénérique et (ou) intergénérique (Kreth et al. 2005). Ces transferts horizontaux d ADN bactérien permettent d améliorer les aptitudes d adaptation environnementale chez les espèces bactériennes en l absence de reproduction sexuelle. Il fut récemment montré par une analyse transcriptomique que les fonctions associées à l activité de l enzyme LuxS génératrice entre autre de l AI-2, influençaient l expression de 30 % du génome de S. mutans contrôlant des phénotypes aussi divers que la formation de biofilm, la tolérance à l acide, la synthèse de bactériocines, la tolérance au stress oxydatif (Sztajer et al. 2008) (fig. 5). La formation du biofilm par S. mutans et l expression de plusieurs de ces traits de virulence semblent aussi être influencées par la présence d autres bactéries buccales bien spécifiques. Récemment Wen et al. (2010) ont démontré par un modèle de biofilm à 2 espèces que S. mutans en coculture avec Lactobacillus casei ou S. oralis altérait la production de SpaP (une protéine utilisée par S. mutans pour se lier à la surface des dents en l absence de sucrose), de GtfB et de GbpB, ainsi que de LuxS. Par contre, S. sanguinis n influençait pas l expression des gènes codant pour ces protéines chez S. mutans. D autres types d interactions existent bien évidemment au sein du biofilm que forme la plaque dentaire entre différentes espèces et différents genres bactériens (Marcotte et

11 Nicolas et Lavoie 11 Fig. 4. Ro le du CSP (peptide stimulateur de la compe tence) dans la modulation de plusieurs fonctions au sein des biofilms des streptocoques buccaux. Fig. 5. Influence de l auto-inducteur 2 (AI-2) dans le «quorum sensing» pour la formation de biofilm multi-espe ces. Sous le contro le de LuxS, l AI-2 module le «quorum sensing» entre les espe ces et la re gulation inter-genres des ge nes. Lavoie 1998; Zijnge et al. 2010). Les streptocoques buccaux interagissent avec d autres colonisateurs de la plaque comme les Veillonellae. Veillonella atypica et V. parvula, des bacte ries a Gram ne gatif, sont incapables de me taboliser les sucres, mais utilisent les acides organiques produits par les streptocoques buccaux tels que S. mutans comme source de carbone pour leur croissance (Harper et Loesche 1983; Chalmers et al. 2008). Cette relation symbiotique peut devenir plus complexe dans la comple mentation me tabolique comme pour S. mutans et V. parvula qui deviennent moins sensibles a des traitements antimicrobiens quand ces 2 espe ces e voluent en biofilm (Kara et al. 2006; Luppens et al. 2008). Les me canismes d antagonisme entre bacte ries buccales Pour e carter tous pre dateurs et compe titeurs de leur niche, les streptocoques buccaux ont e labore un arsenal d armement et de de fense. La production d acide par les SM inhibe la croissance des espe ces sensibles a l acide comme d autres streptocoques potentiellement compe titeurs ainsi que d autres bacte ries de la cavite buccale (Kuramitsu et al. 2007). En plus de la production de bacte riocine en association avec le me canisme du «quorum sensing», les streptocoques buccaux peuvent bloquer la disponibilite de CSP. StreptoPublie par les Presses scientifiques du CNRC

12 12 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 Fig. 6. Illustration des interactions inter-espèces entre Streptococcus mutans et une sélection de streptocoques buccaux. La production d acide lactique, de mutacines et de CSP (inducteur de la production de mutacines) par S. mutans inhibe les streptocoques buccaux et d autres espèces anaérobes, ainsi que la formation d hyphes par Candida albicans. En contre partie, Streptococcus gordonii inhibe la formation de biofilm et la production de mutacines par S. mutans par la production de challisine. Streptococcus oligofermentans inhibe S. mutans par la production de peroxyde d hydrogène à partir de l acide lactique produit par S. mutans. Streptococcus salivarius inhibe la formation de biofilm de S. mutans en agissant sur le CSP. Adapté de Kuramitsu et al. (2007). coccus gordonii inhibe la production de bactériocine stimulée par le CSP chez S. mutans par la production d une protéase apparentée aux subtilines, la challisine, qui inactive le CSP et réduit la production de bactériocine (Wang et Kuramitsu 2005). D autres streptocoques buccaux (S. mitis, S. sanguinis, S. oralis) produisent également des enzymes qui dégradent les CSP sans dégrader directement les bactériocines (Kreth et al. 2005; Kuramitsu et al. 2007). Aussi, S. oligofermentans et S. salivarius inhibent la formation de biofilm par S. mutans (Tong et al. 2007; Tamura et al. 2009). Streptococcus oligofermentans produit du H 2 O 2 à partir de l acide lactique produit par S. mutans pour inhiber ce dernier (Tong et al. 2007). Ceci montre comment un signal antagoniste peut se retourner contre son propre producteur. La production de H 2 O 2 par S. oligofermentans peut aussi se faire à partir de peptone (Tong et al. 2008). L inhibition de S. salivarius sur la formation de biofilm par S. mutans intervient sur le rôle du CSP. Cette inhibition ne semble pas correspondre à l activité d un agent antimicrobien comme une production d acide ou de bactériocine ni d uréase (Tamura et al. 2009). Une communication entre différents règnes existe également au sein de la cavité buccale. Récemment, il a été montré que le CSP produit par S. mutans inhibait la formation d hyphes par Candida albicans, un champignon communément retrouvé au sein de la cavité buccale humaine (Jarosz et al. 2009). En contrepartie, la production d H 2 O 2 par S. gordonii pourrait avoir un effet stimulateur de la formation d hyphes par C. albicans (Bamford et al. 2009) (fig. 6). Les bactériocines et leur rôle dans les interactions inter-espèces au sein des biofilms buccaux Les bactériocines sont des substances antibactériennes de nature protéique que l on retrouve dans tous les genres de bactérie. À la différence des antibiotiques conventionnels, les bactériocines présentent souvent un spectre d activité étroit et inhibent la croissance d organismes apparentés (Jack et al. 1995). Les bactériocines pourraient jouer un rôle primordial dans les interactions entre les espèces au sein des biofilms buccaux (Weerkamp et al. 1977). Streptococcus

13 Nicolas et Lavoie 13 mutans produit une pléthore de bactériocines appelées mutacines à la fois actives contre des bactéries Gram positif et Gram négatif retrouvées dans la cavité buccale (Morency et al. 2001; Bekal-Si Ali et al. 2002; van der Ploeg 2005; Nicolas et al. 2007). Plusieurs autres streptocoques buccaux se sont montrés être producteurs de bactériocines (Wescombe et al. 2009). D autres espèces issues de la cavité buccale peuvent produire également des bactériocines pouvant être actives à la fois contre les streptocoques buccaux ou encore d autres genres bactériens retrouvés dans le milieu buccal (Teanpaisan et al. 1998; Deng et al. 2004; Busarcevic et al. 2008; Pangsomboon et al. 2009). Les bactériocines peuvent aussi affecter les interactions inter-espèces en agissant comme des analogues de molécules messagères. Par exemple, les bactériocines de type lantibiotiques produites par Streptococcus pyogenes et Streptococcus salivarius sont structurellement similaires et interagissent avec les systèmes de signaux à 2 composants (récepteur histidine kinase autophosphorylant et effecteur intracellulaire) propre à chacun. Les souches commensales de S. salivarius peuvent ainsi contenir la formation de biofilm par les souches pathogènes de S. pyogenes (Upton et al. 2001). De nombreuses autres espèces bactériennes buccales utilisent des substances apparentées aux bactériocines pour rivaliser avec les autres espèces au sein de la cavité buccale telles que Prevotella intermedia, Prevotella nigrescens, Capnocytophaga ochracea, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Haemophilus influenzae, Fusobacterium nucleatum, Ekeinella corrodens, Treponema denticola (rapporté par Kuramitsu et al. 2007). Génomique des streptocoques buccaux Le génome de S. mutans sérotype c souche UA159 (ATCC ), isolé au États-Unis en 1982, a été séquencé (Ajdić et al. 2002). Le génome contient un unique chromosome de paires de bases constituant 1966 cadres de lecture (ORFs). Seize pourcent du génome code pour des protéines spécifiques à S. mutans, et 61 % montre des similarités importantes avec les ORFs de S. pneumoniae. L annotation des séquences du génome a permis l identification de facteurs de virulence connus et d autres éventuels comme l adhésine, des exoenzymes, des protéases, et d autres protéines de surfaces et extracellulaires. Streptococcus mutans contient de nombreux éléments génétiques correspondant à des séquences d insertion et à des transposons, mais aucun prophage n a été détecté dans la souche type, bien que d autres souches de S. mutans en possèdent (van der Ploeg 2007). Récemment, le génome d une nouvelle souche de S. mutans de sérotype c a été sequencée (S. mutans NN2025, isolé au Japon en 2002) (Maruyama et al. 2009). Le génome de NN2025 constitue un chromosome unique de paires de bases presque identique à celui de UA159 mais plus court en taille de 17 kb. Le contenu en GC est similaire à celui de UA159 (36,85 %). Le génome contient 1895 protéines prédites dont 90 % sont communes à la souche UA159. D après Waterhouse et al. (2007), 80 % des ORFs sont conservées parmi les différentes souches de S. mutans avec différents sérotypes. Ce résultat indique que le «core genome» de S. mutans est plus stable que celui d autres espèces de Streptococcus, où le «core genome» ne constituerait que 60 % du génome (Lefébure et Stanhope 2007). La majorité des gènes de croissance végétative sont hautement conservés entre les 2 souches de S. mutans. Le métabolisme des sucres est une stratégie de survie clé pour S. mutans, et les gènes associés au transport et au métabolisme des sucres sont complètement conservés entre les 2 souches. Streptococcus mutans semble posséder au moins 5 systèmes de transporteurs ABC des sucres et pas moins de 14 systèmes PTS (phosphoénolpyruvate : sucre phosphotransférase) pour le transport par phosphorylation des sucres. Streptococcus mutans est ainsi en mesure de métaboliser pas moins de 16 sucres différents pour la glycolyse. Neuf PTS peuvent être transcrits en présence de 13 sucres différents (Ajdić et Pham 2007). Aussi, les ORFs prédits comme facteurs de virulence de S. mutans incluant les adhésines, les exoenzymes productrices et liant le glucan, sont conservées entre les souches. Bien que S. mutans soit physiologiquement une bactérie lactique et fasse partie de la microflore indigène humaine, il est considéré comme le principal agent causant l initiation et la progression de la carie dentaire (Hamada et Slade 1980; Banas 2004). En fait, ne devrait-on pas reconsidérer la pathogénicité de S. mutans dont la virulence ne semble être liée qu au régime alimentaire et à l environnement. Cette pathogénicité n est en fait principalement associée qu à la conversion des sucres en polysaccharides insolubles, à la production de protéines liant les glucans favorisant son adhésion aux dents, et à son acidogénicité et son acidorésistance (Mitchell 2003; Banas 2004). Écologie de la carie dentaire et le rôle de Streptococcus mutans dans sa formation La carie dentaire est l une des infections chroniques la plus répandue à travers le monde (WHO 2002). La carie dentaire est un problème de santé publique qui affecte 60 % à 90 % des enfants scolarisés, aussi bien que les adultes dans les pays industrialisés (Peterson 2003). Bien que non fatale, la carie dentaire est une maladie infectieuse coûteuse, représentant des dépenses annuelles considérables de plusieurs millions de dollars seulement aux États-Unis (Tanzer et al. 2001). Il existe 3 hypothèses majeures pour expliquer l étiologie de la carie dentaire : l hypothèse de la spécificité de la plaque dentaire, l hypothèse de la non-spécificité de la plaque dentaire, et l hypothèse de l écologie de la plaque (Theilade 1986; Loesche 1992; Marsh 1994; Kleinberg 2002). Dans l hypothèse de la spécificité de la plaque, seulement quelques espèces, telles que S. mutans et S. sobrinus, sont activement impliquées dans la formation de la carie. L hypothèse de la non-spécificité de la plaque maintient que la carie résulterait de l activité entière de la microflore de la plaque comprenant un nombre considérable d espèces. L hypothèse de l écologie de la plaque suggère que la carie est le résultat d un débalancement de la microflore résidente induit par un changement des conditions dans un environnement localisé. Ces 3 hypothèses ont été largement proposées pour expliquer le rôle des bactéries buccales dans les maladies périodontales. Streptococcus mutans, S. sobrinus, d autres streptocoques buccaux, des espèces de Lactobacillus et dans

14 14 Rev. can. microbiol. vol. 57, 2011 certains cas des souches d Actinomyces peuvent être impliquées dans la formation de caries et se sont montrées être à l origine de la formation de caries dans des modèles animaux. Les bactéries associées à la carie ont auparavant été identifiées par des méthodes de cultures traditionnelles, ce qui a exclu pendant longtemps les espèces non encore cultivables. Le développement des méthodes d identification moléculaire et d énumération a permis à la fois de mieux identifier et de proportionner plus précisément les différentes espèces impliquées et retrouvées dans les caries dentaires (Becker et al. 2002; Munson et al. 2004; Russell 2008). Des coupables dans la formation des caries dentaires autres que S. mutans ont ainsi été identifiés : plusieurs Streptococcus spp., Veillonella spp., Actinomyces spp., Bifidobacterium spp., et Lactobacillus fermentum (Becker et al. 2002). Actinomyces gerencseriae avec d autres Actinomyces spp. joueraient un rôle primordial dans l initiation de la formation des caries. De nombreuses études ont caractérisé la diversité de la communauté bactérienne présente au sein des caries (Munson et al. 2004; Chhour et al. 2005). Les espèces couramment identifiées ont été retrouvées ainsi que de nombreux nouveaux taxons bactériens jamais identifiés précédemment au sein des caries; S. mutans, Lactobacillus spp., Atopobium, Rothia dentocariosa, Propionibacterium spp., Prevotella spp., Selenomonas spp., Dialister spp., Fusobacterium spp., Eubacterium spp., Olsenella spp., Bifidobacterium spp., Pseudoramibacter spp. (Munson et al. 2004; Chhour et al. 2005; Aas et al. 2008). Pour plusieurs de ces espèces, cependant, bien qu elles aient été retrouvées dans les caries dentaires, leur rôle exact dans l initiation et le développement des caries reste encore à définir. Avec l avancement des technologies moléculaires et des études sur la carie dentaire, il devient de plus en plus évident que S. mutans n est pas l unique coupable dans l initiation, la formation et la persistance des caries dentaires. Directions futures Avec l avènement des analyses par génomique et protéomique, les connaissances sur les streptocoques buccaux et sur leur comportement de colonisation in vivo se sont améliorées. Les streptocoques buccaux constituent des acteurs majeurs dans l installation et l évolution de la microflore indigène buccale, de par les interactions qu ils établissent entre eux ainsi qu avec les différents genres retrouvés au sein des biofilms buccaux. De nombreuses espèces de streptocoques buccaux sont porteuses de facteurs de virulences potentiels et qui sont naturellement réprimés dans les biofilms buccaux. L expression de ces traits de virulence résulte souvent d un débalancement créé dans la cavité buccale, et les streptocoques buccaux peuvent donc être impliqués dans les maladies buccales. Le développement de nouvelles technologies permettra encore de mieux identifier et définir l activité des microorganismes résidents de cavité buccale saine ou malade et aussi de mieux évaluer les proportions des microorganismes responsables de l activité pathogène des biofilms. Parallèlement, de nouvelles méthodes de prévention contre les microorganismes causant la carie dentaire et d autres maladies buccales émergent. Suite à l utilisation classique de traitement antibiotique créant des débalancements écologiques dans la flore buccale, de nouvelles molécules ciblant des pathogènes spécifiques et reconnus pour leur responsabilité dans les maladies se développent. Une des stratégies pour lutter efficacement contre la carie est de cibler spécifiquement S. mutans et d empêcher sa croissance au sein du biofilm buccal. Des peptides antimicrobiens nommés STAMPs («selectively targeted antimicrobial peptides») et construits par la fusion d un domaine d un peptide de reconnaissance spécifique (celui du CSP) avec un domaine actif d un peptide antimicrobien ciblent de façon spécifique des souches de S. mutans (Eckert et al. 2006; He et al. 2009). Des peptides synthétiques bloquent la recolonisation du biofilm buccal par S. mutans (Younson et Kelly 2004; He et al. 2007). D autres métabolites secondaires naturels produits par des espèces bactériennes exogènes de la cavité buccale ou encore isolées à partir d extrait de plantes inhibent le développement des biofilms de S. mutans et présentent un potentiel comme nouveaux agents anti-caries (Koo et Jeon 2009; Kunze et al. 2010). Remerciements Guillaume Nicolas est subventionné par une bourse Ph.D. CRSNG industrie (Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada et Microbio LCA Inc.). Marc C. Lavoie bénéficie d une subvention du Caribbean Health Research Council pour l étude des mutacines. Bibliographie Aas, J.A., Griffen, A.L., Dardis, S.R., Lee, A.M., Olsen, I., Dewhirst, F.E., et al Bacteria of dental caries in primary and permanent teeth in children and young adults. J. Clin. Microbiol. 46(4) : doi: /jcm PMID: Achtman, M., et Wagner, M Microbial diversity and the genetic nature of microbial species. Nat. Rev. Microbiol. 6(6) : PMID: Ahn, S.J., Lemos, J.A., et Burne, R.A Role of HtrA in growth and competence of Streptococcus mutans UA159. J. Bacteriol. 187(9) : doi: /jb PMID: Allan, E., Hussain, H.A., Crawford, K.R., Miah, S., Ascott, Z.K., Khwaja, M.H., et Hosie, A.H Genetic variation in comc, the gene encoding competence-stimulating peptide (CSP) in Streptococcus mutans. FEMS Microbiol. 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