Transport des acides aminés et virulence nutritionnelle de Francisella tularensis

Transport of amino acids and nutritional virulence of Francisella tularensis

• Auteur / Autrice : Gaël Gesbert
• Direction : Alain Charbit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 5
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génétique, cellulaire, immunologie, infectiologie et développement (Paris ; ....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Necker - Centre de Médecine Moléculaire
• Jury : Président / Présidente : Xavier Nassif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Charbit, Xavier Nassif, Max Maurin, Michel Simonet, Olivier Dussurget, Ludovic Tailleux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Max Maurin, Michel Simonet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Asparagine

Legionella pneumophila

Acides aminés

Francisella tularensis

Mots clés libres

Francisella tularensis

Nutrition

Adaptation

Transport

Acides aminés

Transporteurs phagosomaux

Pht

Francisella tularensis

Nutrition

Adaptation

Transport

Amino acids

Phagosomal transporter

Pht

Résumé

Francisella tularensis, agent étiologique de la tularémie, est un pathogène intracellulaire facultatif capable d’infecter de nombreuses cellules de mammifères. Pour se multiplier activement dans le cytoplasme des cellules hôtes, la bactérie doit être en mesure de capter dans cet environnement tous les composés nécessaires à son métabolisme, et notamment des acides aminés qui représentent ses principales sources de carbone et d’azote. Les pathogènes à multiplication intracellulaire ont mis en place un ensemble de mécanismes, visant i) la manipulation des voies métaboliques de l’hôte, pour accroître le pool de nutriments disponibles, et ii) l’expression de transporteurs dédiés, pour la captation optimale de ces nutriments. Cet ensemble de mécanismes est regroupé sous le terme de « virulence nutritionnelle ». Chez Legionella pneumophila, plusieurs membres d’une sous-famille de transporteurs actifs secondaires (désignés Pht, ou transporteurs phagosomaux), responsables de la captation des acides aminés lors de la phase intracellulaire de la bactérie, ont été caractérisés. Dans ce travail, nous avons établi le rôle de deux membres de la sous-famille des transporteurs Pht (désignés AnsP et IleP), dans le transport d’acides aminés et la virulence de Francisella. La protéine AnsP est un transporteur d’asparagine. La délétion du gène codant pour ce transporteur n’a pas d’effet sur la croissance de Francisella en milieu synthétique, mais entraîne une diminution drastique de sa multiplication intracellulaire dans tous les types cellulaires testés, ainsi qu’une atténuation importante de la virulence chez la souris. La perte de virulence du mutant asnP est réversible aussi bien in vivo qu’in vitro par ajout d’asparagine en excès. F. tularensis, qui est prototrophe pour l’asparagine en milieu minimum, devient donc auxotrophe dans le cadre de sa croissance intracellulaire, et nécessite un transport de cet acide aminé via AnsP. Ce changement de besoins en asparagine entre le milieu extérieur et le milieu intracellulaire illustre bien le phénomène d’adaptation nutritionnel que réalise la bactérie dans le cadre d’une infection. La délétion du second transporteur, IleP, entraine un défaut de croissance en milieu minimum, réversible par ajout de thréonine, un précurseur métabolique de l’isoleucine chez F. tularensis subsp. novicida. Des expériences d’incorporation d’isoleucine marquée ont permis de mettre en évidence la fonction de transporteur d’isoleucine de la protéine IleP. La délétion du gène codant pour IleP entraine également un défaut de multiplication in vitro, associé à un léger retard de sortie du phagosome ainsi qu’une atténuation importante de la virulence chez la souris. Ce transporteur assure donc la captation de l’isoleucine dans des conditions où l’utilisation de la thréonine, ne permet pas d’assouvir les besoins de la bactérie. De façon remarquable, la voie de biosynthèse de l’isoleucine via la thréonine est interrompue chez les sous-espèces tularensis et holarctica. La croissance de ces sous espèces, plus virulentes que novicida, dans la cellule infectée devient donc strictement dépendante du transport de l’isoleucine par IleP. Cet exemple constitue une parfaite illustration de la spécialisation des souches pathogènes aux conditions nutritionnelles de leur hôte. En conclusion, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse a permis de démontrer la participation de deux transporteurs d’acides aminés à la virulence nutritionnelle de la bactérie Francisella.

Francisella tularensis is the causative agent of tularemia. This facultative intracellular pathogen can infect a broad variety of mammalian cells. To multiply actively in the cytoplasm of host cells, the bacteria must be able to capture in this environment all necessary nutrients, including amino acids, that constitute its principal carbon and nitrogen sources. Intracellular pathogens have established a set of mechanisms aimed at: i) hijacking the metabolic pathways of the host, to increase the pool of nutrients available, and ii) expressing transporters dedicated to the optimal transport of these nutrients. These mechanisms are grouped under the term "nutritional virulence." In Legionella pneumophila, several members of a sub-family of secondary active transporters (designated Pht for phagosomal transporter), responsible for the uptake of amino acids in the intracellular phase of the bacteria, have been characterized. In this work, we have established the role of two Pht members (designated AnsP and IleP) in amino acid transport and virulence of Francisella. The AnsP protein is an asparagine transporter. Deletion of the gene encoding the transporter has no effect on the growth of Francisella in synthetic medium, but lead to a drastic decrease in intracellular multiplication in all cell types tested, and significant attenuation of virulence in mouse. The loss of virulence of the ansP mutant was reversible in vivo and in vitro by addition of excess asparagine. F. tularensis, which is prototrophic for asparagine in minimum medium, becomes auxotrophic under its intracellular growth and requires transport of the amino acid via AnsP. This change of asparagine requirement between an environmental and an intracellular lifestyle illustrates the nutritional adaptation achieved by bacteria during infection. The deletion of the second transporter, IleP, causes a growth defect in minimum medium, reversible by adding threonine, a metabolic precursor of isoleucine in F. tularensis subsp. novicida. Transport asays with radiolabelled isoleucine have highlighted the role of IleP protein in isoleucine uptake. Deletion of the ileP gene caused a severe defect in intracellular multiplication, combined with a slight delay exit the phagosome and a significant attenuation of virulence in mice. Notably, the biosynthesis pathway of isoleucine via the threonine is interrupted in holarctica and tularensis subspecies. The growth of these subspecies, more virulent than novicida, in the infected cell becomes strictly dependent on the transport of isoleucine by IleP. This example is a perfect illustration of the specialization of pathogenic strains to nutritional condition of their host. In conclusion, the work presented in this thesis has demonstrated the participation of two amino acid transporters to the nutritional virulence of the Francisella.