Influence of peptidoglycan metabolism on immunomodulatory properties of Lactobacillus casei

par Krzysztof Regulski

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Marie-Pierre Chapot-Chartier.

Le président du jury était Armel Guyonvarch.

Le jury était composé de Marie-Pierre Chapot-Chartier, Armel Guyonvarch, Girbe Buist, Corinne Grangette, Eva Rajnavölgyi.

Les rapporteurs étaient Girbe Buist, Corinne Grangette.

  • Titre traduit

    Influence du métabolisme du peptidoglycane sur les propriétés immunomodulatrices de Lactobacillus casei


  • Résumé

    Le peptidoglycane (PG) est le composant majeur de la paroi des bactéries à Gram positif. Il assure la forme et l’intégrité de la cellule bactérienne. Le PG ou des fragments dérivés sont connus pour être des inducteurs du système d’immunité innée de l’hôte, en particulier au travers des récepteurs Nod2. Au cours de ce travail, nous avons étudié l’influence du métabolisme du PG sur les propriétés immunomodulatrices de Lactobacillus casei BL23, en étudiant principalement sa capacité à moduler la réponse des cellules dendritiques humaines. Nous avons tout d’abord caractérisé les hydrolases du PG (PGHs) majeures de L. casei BL23. Une recherche in silico a révélé que L. casei possède un système de PGHs relativement complexe comprenant treize enzymes putatives avec des domaines catalytiques variés. Une analyse protéomique d’extraits de paroi de L. casei BL23 a permis de détecter la production de sept d’entre elles pendant la croissance bactérienne. Quatre d’entre elles ont été étudié plus en détails. La PGH la plus fortement exprimée, Lc-p75, a une activité de -D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase et est responsable de la séparation des cellules après division. De plus, Lc-p75 associée à la paroi est localisée au niveau des septa cellulaires. Il s’agit également de l’une des protéines majeures secrétée dans le surnageant de culture de L. casei BL23. Lc-p75 possède la particularité d’être une glycoprotéine. La PGH Lc-p40 possède un domaine CHAP doué d’une activité endopeptidase avec un site de clivage situé au niveau des ponts interpeptidiques du PG. Lc-p40 parait localisée au niveau de la paroi latérale des cellules de L. casei. Lc-p45 est une deuxième -D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase avec un rôle dans le maintien de la forme de la bactérie. Enfin nous avons caractérisé deux enzymes de prophages, Lc-Lys et Lc-Lys2, codée par le génome de L. casei BL23, qui possède toute deux un domaine de liaison au PG d’un nouveau type qui possède la particularité de lier spécifiquement le D-Asp amidé présent dans les ponts interpeptidiques du PG de L. casei BL23. La délétion des deux gènes qui codent pour les endopeptidases Lc-p75 et Lc-p45 chez L. casei BL23 conduit à l’absence de disaccharide dipeptide dans la structure du PG du mutant, tandis que la délétion de Lc-p75 seulement conduit à une réduction de la quantité du disaccharide-dipeptide. Ce disaccharide dipeptide est un ligand des récepteurs Nod2. Les deux mutants obtenus par délétion de Lc-p75 ou bien par délétion des deux endopeptidases ont été comparés avec la souche sauvage BL23 pour leur capacité à activer in vitro des cellules dendritiques humaines dérivées de monocytes sanguins. Suite à l’activation des cellules dendritiques par les souches de L. casei, quatre cytokines pro-inflammatoires, les interleukines IL-6, IL-8, IL-12 et le TNF- ont été produites. La quantité de chaque cytokine sécrétée en réponse aux mutants simple Lc-p75 et double Lc-p75/Lc-p45 était diminuée par rapport à celle induite par la souche sauvage L. casei BL23.En conclusion, L. casei BL23 est doté d’un équipement complexe en PGHs. Les PGHs caractérisées au cours de ce travail présentent des caractéristiques uniques et jouent un rôle important dans la division des bactéries ainsi que dans le maintien de leur morphologie. Nos résultats indiquent que la souche sauvage de L. casei Bl23 et les mutants dérivés obtenus par inactivation d’enzymes à activité endopeptidase, qui diffèrent à la fois au niveau de leur contenu enzymatique ainsi qu’au niveau de la structure de leur PG, ont des effets différents sur les cellules dendritiques humaines, avec un caractère anti-inflammatoire plus élevé pour les mutants


  • Résumé

    Peptidoglycan (PG) is the major component of the Gram-positive bacteria cell wall. It ensures bacterial cell shape and integrity. PG or PG-derived fragments have been shown to stimulate the host innate immune system, through Nod-2 receptors. In this work, we studied the influence of PG metabolism on immunomodulatory properties of Lactobacillus casei BL23, mainly its ability to modulate the response of human dendritic cells (DCs).We have first characterized the main peptidoglycan hydrolases (PGHs) of L. casei BL23. In silico search revealed that L. casei BL23 has a rather complex PGH complement including thirteen predicted PGHs with various catalytic domains. Proteomic analysis of bacterial cell wall extracts revealed the expression of seven of them during bacterial growth. We characterized four of them in details. Lc-p75 is the major PGH with a γ-D-glutamyl-L-lysyl-endopeptidase specificity and is responsible for daughter cell separation. Lc-p75 associated to the cell wall localizes at the cell septa. It is also one of the major secreted proteins of L. casei found in culture supernatant. Besides, we showed that L. casei Lc-p75 is a glycosylated protein. Lc-p40 is a PGH with a CHAP-domain endowed with endopeptidase hydrolytic specificity toward peptidoglycan cross-bridges and appears to localize on lateral cell wall. Lc-p45 is a second γ-D-glutamyl-L-lysyl endopeptidase with a role in cell shape maintenance. We further demonstrated that two prophage endolysins Lc-Lys and Lc-Lys2, encoded in L. casei BL23 genome, share a common novel type peptidoglycan-binding domain that recognizes specifically D-Asn cross-bridge, present in L. casei BL23 peptidoglycan.Deletion of the two endopeptidases, Lc-75 and Lc-p45, resulted in a complete loss ofdisaccharide-dipeptide, which is a ligand of Nod-2 receptor, in the muropeptide structure of L. casei BL23, whereas deletion of Lc-p75 gene led only to a reduction of disaccharide dipeptide. The two PGH-mutants, obtained by deletion of Lc-p75 gene alone or both Lc-p75 and Lc-p45 endopeptidase genes were compared with wild type L. casei BL23 for their capacity to stimulate signaling pathways in vitro in DCs derived from human monocytes. As a consequence of DC activation by L. casei strains, four pro-inflammatory cytokines IL-6, IL-8, IL-12 and TNF-α were produced. The concentrations of secreted cytokines in response to the single Lc-p75 and Lc-p75/p45 double mutant were lower than those induced by wild type L. casei BL23.In conclusion, L. casei BL23 has a complex PGH complement. The PGHs described in this work present unique features and play important role in cell division and morphology of L. casei. Our results indicate that wild type L. casei and endopeptidase-negative mutants, which differ in their PGH content and in their PG structure, have distinct effects on human DCs, with a higher anti-inflammatory character of the endopeptidase-negative mutants.


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