Voies de signalisation empruntées par les bactéries pathogènes pour envahir leur cellule hôte.

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1 Voies de signalisation empruntées par les bactéries pathogènes pour envahir leur cellule hôte. Le but étant de prendre connaissance des événements qui peuvent surgir dans une cellule au cours d une infection par une bactérie pathogène (ne pas retenir chaque molécule mais juste les grandes lignes des mécanismes). Pour envahir une cellule il y a différents mécanismes empruntés que l on verra à travers des exemples de bactéries pathogènes. Donc on détaillera surtout des événements qui auront lieu à la surface de la cellule, puisque le premier contact est la surface de la cellule qu il faudra franchir. Lorsque la bactérie interagit avec la cellule hôte, elle va induire des modifications de la membrane de cette cellule qui va se traduire par des modifications de la morphologie de la membrane plasmique à l endroit où la bactérie a adhérée. Ces modifications peuvent être très prononcées avec des énormes replis de la membrane qui englobent la bactérie ou bien très subtiles (n implique pas forcément de gros changement). La cible commune à toutes les bactéries est le cytosquelette d actines de la cellule (maintien de l architecture des cellules). La modification de la morphologie de la membrane plasmique (dans le cas d une cellule non infectée) implique des protéines qui contrôlent la polymérisation de ce cytosquelette d actines. Ces protéines sont des GTPases de la famille Rho. L activation de ces GTPases va induire la formation de structures particulières (grâce à la réorganisation du cytosquelette d actine). Exemples de GTPases : (3 membres de la famille Rho à retenir) - Cdc42 induction de prolongements : filopodes, microvillosités. - Rac induction de lamellipodes (nécessaire à la migration de la cellule). - Rho induction de fibres de tension = câbles d actines (activité contractile de la cellule). Par exemple dans les conditions physiologiques, les GTPases de la famille Rho sont activées par des facteurs exogènes : un facteur de croissance par exemple se lie à son récepteur à la surface d une cellule ce qui va entrainer une dimérisation du récepteur, qui va permettre la phosphorylation du récepteur, puis recrutement des protéines adaptatrices (que lorsque le récepteur est phosphorylé) qui à leur tour recrutent des protéines qui activent les protéines GTPases. Les GTPases existent dans les cellules sous forme inactive (on ne veut pas qu elles soient activées de façon permanente et non contrôlées) On a donc un contrôle de l activation des GTPases : les GTPases existent sous forme GTP ou GDP. On passe du GDP au GTP grâce à l activation de facteurs d échanges. La forme GTP est capable de se lier aux effecteurs et contribue à l activation de ces effecteurs contrôle de la polymérisation d actine. Il existe un rétrocontrôle négatif : activation de la fonction GTPase des GTPases : passage de la forme active GTP à la forme inactive GDP. 1

2 L actine existe de façon libre dans la cellule, et si l actine s assemble de façon non contrôlé, il va se passer n importe quoi. Donc tout est contrôlé et finement régulé à chaque étape (dut à un tas de protéines). Et les bactéries vont utiliser tout ce système : une fois les GTPases activées on aura polymérisation de l actine grâce à l activation du complexe Arp 2/3 liaison des filaments d actines libres entre eux de les assembler en polymères de filaments et surtout de nucléer des nouveaux filaments à partir de filaments existants. On a possibilité de brancher des nouveaux filaments sur de filaments existants avec toujours un angle de 70. Et donc l élongation de ces filaments va permettre de pousser la membrane de la cellule et ainsi de réorganiser la membrane. De facon à ce que ces evenements ne pedurent pas il y a mise en place très rapidement de phenomènes qui permettent d inhiber la formation de cette polymérisation: l actine qui est recrutée sous forme d ATP va être hydrolysée, et l actine sous forme ADP va être reconnue par des protéines qui vont casser ces filaments, ce qui va générer des coupures dans ces filaments (à l arrière). Tout ceci va redonner de l actine libre sous forme monomérique. On a également des protéines qui vont contribuer à arrêter la polymérisation = des protéines de coiffe qui terminent le signal. Invasion de la cellule hôte : 2 types de stratégies. 1) Détournement des voies de signalisation de la cellule hôte. Injection de protéines bactériennes directement dans la cellule hôte : translocation d effecteurs dans la cellule hôte 2) mimétisme moléculaire : leurre-engagement de protéines ou récepteurs à la surface de la cellule hôte. 1 er mécanisme : Système de sécrétion de type III. Ce système code pour une 20 aine de protéines bactériennes qui s assemble sous la forme d une «seringue moléculaire».c est un polymère rigide creux où se déroule la translocation de protéines (=effecteurs moléculaires) du cytosol de la bactérie vers le cytosol de la cellule hôte. Utilisé par plusieurs bactéries pathogènes gram- : chez salmonelle, shigelle, EPEC ce système permet l entrée dans la cellule hôte ou chez certaines bactéries ce système bloque la phagocytose. Salmonelle possède deux systèmes de sécrétion de type III. Exemple 1 : EPEC - Bactérie Gram - Forme enteropathogène d E. coli, bactérie majoritaire de la flore commensale intestinale. - Cause majeure de diarrhées dans les pays en voies de développement. L infection est caractérisée par un attachement intime de cette bactérie à la surface de la cellule épithéliale intestinale. Adhésion de la bactérie modification de la cellule épithéliale formation d un piédestal. Etapes : 1) «Attachement lâche» à la cellule hôte via pili bactérien 2) Effacement des microvillosités épithéliales 3) Injection de protéines dont Tir, qui est un récepteur, via système de sécrétion type III. Tir se met au niveau de la membrane externe de la cellule hôte, ce qui permet à la bactérie d engager son ligand= intimine. 2

3 4) L interaction Tir-intimine induit le même type de signaux que l on a décrit précédemment dimérisation du récepteur phosphorylation des tyrosines sur les tyrosines kinase qui sont cellulaires recrutement des protéines adaptatrices qui recrutent des facteurs d échanges pour les GTPases polymérisation de l actine formation de piedestal. Exemple 2 : Salmonella enterica. - Bactérie gram à multiplication intracellulaire. - Responsable : gastro-entérites (S.thyphimurium), fièvre typhoïde (S. Typhi). Elle induit des événements beaucoup plus spectaculaires : réorganisation de la membrane de la cellule infectée avec énormes replis de membrane qui viennent invaginer la bactérie. On a une coordination spatiale et temporelle, en effet ces événements n ont lieu qu à l endroit où la bactérie a adhéré et ces événements sont très rapides : polymérisation des filaments d actineinvagination de la bactérie- dépolymérisation. Ces événements sont extrêmement bien contrôlés par la bactérie. Etapes : 1) Translocation effecteurs via SPI-1 2) Réorganisation cytosquelette d actine: formation de larges replis membranaires qui vont englober la bactérie. 3) Survie intracellulaire dans vacuole: Translocation effecteurs via SPI-2 Maintien intégrité de la vacuole Les bactéries utilisent le système de sécrétion de type III= translocation des effecteurs= Sop E et B = protéines qui contrôlent directement l activation des GTPases- font le travail des facteurs d échanges cellulaires (passage d une forme GDP à GTP). Il y a activation de Cdc42 et Rac 1 polymérisation de l actine replis de membrane. La bactérie injecte également des protéines qui vont exercer le contrôle spatial et temporel que l on a vu précédemment : - la protéine Sip A est capable de lier directement l actine sous forme monomérique : permet de diminuer les concentrations d actine monomérique libre et de stabiliser les filaments d actine nouvellement formés permet d éviter la diffusion du signal dans la cellule et permet l activation du signal de manière localisé ( là où la bactérie a adhéré). - la terminaison du signal implique SptP qui contrôle les premiers effecteurs, elle possède une fonction GAP (stimule les fonctions GTPases des GTPases) réversion des modifications du cytosquelette induites pas Sop E et Sop B. Cf. tableau récapitulatif. 2 ème mécanisme : Mimétisme moléculaire. (pour les bactéries ne possédant pas de système de sécrétion de type III) La surface de la cellule est constituée de pleins de récepteurs qui permettent de faire passer un signal de l extérieur vers l intérieur de la cellule : par exemple les récepteurs type tyrosines kinases qui lient les facteurs de croissance ou bien des molécules d adhérence telles que les intégrines qui lient les protéines de la matrice extracellulaire. Les bactéries vont utiliser ces récepteurs et pour ce faire elles vont mimer les ligands de ce récepteur. Par 3

4 exemple il y a beaucoup de bactéries qui s entourent de protéine de la matrice (fibronectine, vitronectine) qui se lie aux integrines ce qui entraine une activation des voies de signalisation empruntées par les intégrines et donc l endocytose de la bactérie. Il y également d autres bactéries comme Listeria qui synthétise une protéine qui va mimer un facteur de croissance, on aura donc après fixation sur le récepteur cellulaire activation des voies de signalisation couplées à ce récepteur. Cf. tableau récapitulatif. Exemple 1 : Listeria monocytogenes. - Bactérie Gram + à multiplication intracellulaire. - Infections sévères du SNC et fœto-maternelles - Induit son entrée par un mécanisme dit de «fermeture éclair» (zipper mechanism), elle adhère à la cellule et induit un glissement de la membrane qui va couvrir la bactérie, ce qui va lui permettre de rentrer dans la cellule. Listeria n a pas de système de sécrétion de type III. Pour ce faire elle utilise un opéron : l opéron iniab qui code pour 2 protéines qui lui permettent de rentrer à peu près dans toutes les cellules humaines. - l internaline A permet d entrer que dans les cellules épithéliales. - l internaline B permet d entrer dans diverses lignées cellulaires. Le récepteur spécifique de l internaline A est la E-cadhérine qui n est exprimée que dans les cellules epithéliales. Les E-cadherines sont responsables d interactions homophiles (entres elles). Elles se localisent au niveau des jonctions épithéliales et elles ont également un domaine cytosolique qui se lie au cytosquelette d actine. La bactérie grâce à l internaline A va lier la E-cadherine directement, (au niveau de l extrémité N-term), ceci va mimer l interaction homophile E-cadhérine- E-cadhérine. Grâce à cette liaison la cadhérine va s ancrer aux catenines des filaments d actine et va entrainer l activation des voies de signalisation. La E-cadhérine murine ne permet pas d engager ce récepteur, entre la E-cadhérine murine et la E-cadhérine humaine il n y a qu un acide aminé qui diffère. (Rôle essentiel de la proline en 16). L internaline B possède 2 récepteurs : 1) Le récepteur du C1q (un des composants de la cascade du complément) qui ne possède pas de domaine transmembranaire. Le C1q inhibe l entrée de la bactérie compétition au niveau du site de liaison entre la bactérie et le ligand naturel. Ce récepteur n est pas capable de transduire le signal car pas de domaine transmembranaire. Donc il y a forcément une autre molécule associée à ce récepteur qui va permettre de transduire le signal. 2) Le récepteur c-met (qui est un récepteur tyrosine kinase), qui est le récepteur de croissance cellulaire pour les hépatocytes. L internaline B en se liant à ce récepteur va mimer le ligand naturel de ce récepteur activation des voies de signalisation 4

5 activation du complexe Arp2/3 polymérisation d actines invagination de la bactérie. Une fois la bactérie invaginée dans la vacuole (on rappelle que la bactérie est à multiplication intracellulaire donc il faut qu elle soit libre dans le cytosol) lyse de la vacuole libération de la bactérie dans le cytoplasme. Puis on a une polymérisation d actines qui s organise tout autour de la bactérie au départ puis ensuite se concentre à un pôle de la bactérie comète d actines qui permet à la bactérie de se propulser dans le cytosol de la cellule. Permet la dissémination de cellule en cellule. La protéine bactérienne qui permet d utiliser cette machinerie s appelle Act A. Son expression à la membrane n a lieu qu à un pôle, elle n est exprimée que d un coté (si on induit une polymérisation partout autour de la bactérie, elle ne pourra pas se déplacer) : activation de Arp2/3 directement polymérisation des filaments d actine (ne passe pas par des GTPases). La taille de la comète est stationnaire donc toutes les bactéries bougent à la même vitesse. Exemple 2 : Neisseria meningitidis. - Bactérie à Gram négatif à multiplication extracellulaire. - Pathogène exclusivement humain : septicémies, méningites (colonisation du nasopharynx humain). Elle adhère de façon préférentielle sur les cellules endothéliales des capillaires méningés franchissement de la barrière méningée infection des méninges. Pour se protéger, elle possède des facteurs de virulence : capsule et lipopolysacharide (endotoxines) qui lui permettent de se protéger contre la phagocytose et contre les attaques du complément. Du fait de la présence de cette capsule, les protéines situées à la surface externe de la bactérie ne sont pas accessibles aux cellules (préservation de ses protéines d une reconnaissance antigénique). Mais en même temps elle ne peut pas utiliser ses protéines pour adhérer aux cellules humaines. Elle utilise donc un appendice filamenteux = pili de type 4 : assemblage de piline (sous unités) formation de faisceaux adhérence aux cellules humaines. Seules les cellules humaines peuvent être infectées par ces bactéries. (Récepteur non identifié). A l endroit où la bactérie a adhéré on va avoir une réorganisation de la surface de la cellule : la surface de la cellule est normalement complètement lisse, après l adhésion de la bactérie on a formation de structures similaires aux microvillosités épithéliales localement où la bactérie a adhéré. Cette microvillosité va venir en contact étroit avec la bactérie pour venir l invaginer dans des vacuoles intracellulaires. On a vu que la bactérie avait une multiplication extracellulaire donc elle n a pas beaucoup d intérêt à rentrer dans la cellule, alors pourquoi fait elle ca? Il n y a que des hypothèses : - permet à la bactérie de passer du pôle apical au pôle basal, sans affecter la perméabilité de la barrière (transcytose). - permet de résister à la force de cisaillement exercée par le flux sanguin. Au niveau moléculaire : plusieurs événements séquentiels. Il n y a pas d intervention des GTPases. 1) On a un récepteur cellulaire pour les pili qui contribue à recruter les protéines cytosoliques importantes : protéines de la famille des ezrins qui font le lien entre les 5

6 protéines transmembranaires et le cytosquelette d actine. Lorsqu elles vont être recrutées( grâce à une production de phosphatidyl-inositol phosphate) à la membrane, on aura accumulation de ces protéines cellulaires sous les colonies bactériennes ( à l endroit où les bactéries ont adhéré). 2) activation de Rho et de Rac qui recrute la cortactin induction de différents signaux pour contrôler la polymérisation de l actine de façon localisée. La cortactin est une protéine qui permet la polymérisation de l actine comme le complexe Arp2/3. Lorsqu il n y a pas de cortactin, il y aura quand même polymérisation de l actine car les GTPases seront activées mais la polymérisation se ferra de façon anarchique. Elle est impliquée dans de nombreux réarrangements induits par plusieurs bactéries pathogènes, dans certains cas elle peut-être phosphorylée ou non. La particularité pour que le meningocoque est qu il faut que le pili engage un récepteur pour induire une partie de la signalisation mais il faut également que le lipopolysaccharide (endotoxine) soit intact pour qu il y ait invasion de la cellule hôte. Puisque lorsque l on a un LOS tronquée =non glycosilée inhibition de l invasion de la cellule hôte. Le LOS est responsable de la liaison au Toll-receptor lors de l inflammation, mais en plus de ces événements là on a une glycosilation du LOS par des enzymes bactériennes formation de LOS glycosilée qui engage un récepteur à la surface de la cellule hôte. En absence de cet engagement (mutation de protéines impliquées dans la biosynthèse du LOS) défaut de recrutement de cortactine polymérisation d actine anarchique. Tous ces événements sont observés également quand les leucocytes sont engagés sur les cellules endothéliales. Tous les événements empruntés par la bactérie sont des événements normalement utilisés par des leucocytes. Les leucocytes pour passer cette barrière endothéliale emprunte deux chemins : paracellulaire et transendothelial. CONCLUSION : Si tout ceci est efficace, c est parce que les bactéries ont co-évolué avec les cellules eucaryotes, elles ont donc eut le temps de sélectionner les meilleurs mécanismes pour envahir efficacement ces cellules. 6