L’activation du NF-kB au cours des infections bactériennes : une réaction primordiale de défense de l’hôte

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Au cours de l'évolution, deux mécanismes de lutte contre les agents infectieux ont été sélectionnés. Tout d'abord, l'immunité innée, phylogénétiquement la plus ancienne, qui, en distinguant les éléments du « soi » et du « non-soi » infectieux, constitue la première ligne de défense contre les agressions microbiennes chez toutes les espèces vivantes [1]. Les vertébrés ont ensuite développé l'immunité adaptative qui leur permet de garder une résistance acquise ou mémoire immunitaire contre les micro-organismes qui les ont agressés.

Lors d'une infection bactérienne aiguë, il se produit une réaction locale et/ou systémique caractérisée par l'augmentation de l'expression de protéines pro-inflammatoires comme les cytokines, les molécules de l'adhérence ou les chimiokines [2], indispensables pour les défenses anti-infectieuses, mais qui peuvent paradoxalement être responsables des manifestations cliniques et biologiques du choc septique.

Chez les mammifères, l'expression de la plupart de ces protéines pro-inflammatoires est contrôlée par NF-kB (nuclear factor-kappa B), un activateur transcriptionnel activant les régions promotrices des gènes codant pour ces protéines (tableau 1). L'activation quasi immédiate du NF-kB après la reconnaissance d'un « non-soi » infectieux nécessite un système de signalisation intracellulaire (figure 1). Il est tout à fait remarquable de constater que le système de signalisation propre à l'immunité innée des insectes et des plantes est très similaire à celui du NF-kB des vertébrés [1], suggérant l'existence d'un système immunitaire hautement conservé au cours de l'évolution.

Le facteur transcriptionnel NF-kB active les gènes des protéines pro-inflammatoires

Chez les mammifères, NF-kB est un facteur transcriptionnel ubiquitaire capable de se fixer sur une séquence d'une dizaine de nucléotides, située au niveau des régions promotrices des gènes codant pour les protéines pro-inflammatoires (figure 2). NF-kB existe dans toutes les cellules sous forme inactive localisée dans le cytoplasme. Sous l'influence d'une grande variété de stimulations pro-inflammatoires [3] in-cluant TNF-alpha, l'IL1ß et le LPS, le complexe NF-kB est activé et migre rapidement vers le noyau [4]. Chaque stimulus emprunte une voie de signalisation à partir de récepteurs spécifiques, tels que les récepteurs du TNF-alpha, de l'IL1ß ou des récepteurs TLR (toll like receptor) homologues du récepteur Toll chez la drosophile [5] et capables de reconnaître des constituants de la paroi bactérienne, dont le LPS.

Le facteur transcriptionnel NF-kB

NF-kB est un complexe homo- ou hetérodimérique composé d'unités appartenant à la famille des protéines Rel. La structure de chacune de ces protéines se caractérise par un domaine RHD (Rel-homology domain) amino-terminal, responsable de la liaison à l'ADN, de la dimérisation et de l'adressage nucléaire grâce à une séquence peptidique spécifique appelée NLS (nuclear localisation sequence). Chez les mammifères, cinq protéines appartenant à cette famille ont été décrites : p65 (Rel A), c-Rel, RelB, p50 et p52. La dimérisation du NF-kB peut être formé d'une combinaison quelconque de protéines de la famille Rel. Toutefois, l'hétérodimère p50/p65 constitue, pour la plupart des cellules, le complexe NF-kB prédominant et le plus actif sur le plan transcriptionnel.

Le dimère NF-kB est produit de façon constitutive, mais reste séquestré dans le cytoplasme sous une forme inactive par une liaison non covalente avec des IkBs (inhibiteurs du NF-kB). Six protéines IkBs interagissant avec les dimères NF-kB sont actuellement connues : IkB-alpha, IkB-ß, IkB-gamma (p105), IkB-delta (p100), IkB-epsilon et Bcl-3. La structure primaire des IkBs se caractérise par l'existence de séquences répétées d'une trentaine d'acides aminés appelées ankirines, par l'intermédiaire desquelles les IkBs interagissent avec les domaines RHD et NLS des protéines Rel. Parmi ces IkBs, seuls IkB-alpha, IkB-ß et IkB-epsilon permettent de contrôler l'activation transcriptionnelle par NF-kB en réponse à une stimulation cellulaire. Ces différents isoformes des IkBs ont pour cible différentes combinaisons de protéines Rel. IkB-alpha et IkB-ß se fixent aux hétérodimères p50/p65 et p50/c-Rel, alors que IkB-epsilon se lie aux homodimères p65 et c-Rel.

La phosphorylation et la dégradation de IkB-alpha et IkB-ß

Tous les stimuli capables d'induire l'activation du NF-kB (PMA, TNF-alpha, l'IL1ß ou LPS) entraînent une phosphorylation quasi immédiate de IkB-alpha, suivie d'une dégradation complète dans le cytoplasme en moins de 10 minutes. Cette phosphorylation induit un signal pour une polyubiquitination précédant la dégradation de IkB par la voie du protéasome 26S. Ainsi libéré de son inhibiteur naturel, le dimère NF-kB expose sa séquence du signal d'adressage intranucléaire NLS lui permettant de transloquer vers le noyau, où il se fixe sur les séquences kB du promoteur des gènes cibles pour activer leur transcription (figure 1). Le promoteur du gène de IkB-alpha est également sous le contrôle du NF-kB, de sorte que sa dégradation stimule sa propre production. Il réapparaît dans le cytoplasme 60 minutes après le début de la stimulation cellulaire pour interrompre la translocation nucléaire du NF-kB. La synthèse de novo de IkB-alpha constitue ainsi un mécanisme de rétrocontrôle négatif efficace, qui permet à la cellule de retrouver son état quiescent initial.

IkB-ß joue un rôle physiologique différent de IkB-alpha. D'une part, sa dégradation survient plus tardivement et dépend du type cellulaire et de la nature du signal [6], puisqu'elle est induite par l'IL1ß, le LPS, la protéine Tax de HTLV-1, et non par le TNF-alpha [7]. D'autre part, sa dégradation permet de maintenir une activité transcriptionnelle prolongée puisque la fraction de IkB-ß néosynthétisée bien qu'elle puisse se fixer au complexe NF-kB, elle ne parvient pas à masquer le domaine NLS [8, 9]. Ainsi, NF-kB continue à transloquer vers le noyau, se fixer à l'ADN et maintenir une transcription active [9].

L'activation du NF-kB est un phénomène biphasique où la première phase, constante mais transitoire, dépend de la dégradation de IkB-alpha, et la deuxième phase, non obligatoire et due à la dégradation de IkB-ß, maintient une activation persistante du NF-kB.

Les protéine-kinases de la cascade d'activation du NF-kB

La phosphorylation de deux résidus serines de IkB-alpha et IkB-ß est donc une étape clé, précédant toute activation du NF-kB. Elle est assurée par deux protéines-kinases très homologues, nommées IKK-alpha et IKK-ß (IkB-kinase alpha- ou ß subunit). Ces kinases associées en hétérodimères appartiennent à la famille des MAP2K (mitogen activated protein kinase kinase). Récemment, des résultats obtenus chez la souris knock-out démontrent que IKK-alpha et IKK-ß ont des rôles distincts, indispensables et non redondants pour l'activation du NF-kB. L'activation du NF-kB par IKK-alpha contrôle des gènes impliqués dans l'embryogenèse alors que l'activation NF-kB par IKK-ß contrôle exclusivement les gènes impliqués dans l'apoptose et la réponse inflammatoire [10, 11].

La phosphorylation des IKKs qui permet de les activer est assurée en amont de la cascade par des protéines appartenant à la famille des MAP3K (MAP kinase kinase kinase) (figure 3). Deux MAP3K, NIK (NF-kB inducing kinase) et MEKK-1 (MAP/extracellular responsive kinase kinase-1) pourraient être responsables de l'activation des IKKs [12]. Il a été suggéré que IKK-alpha constituait un meilleur substrat pour NIK, alors que MEKK-1 phosphorylait préférentiellement IKK-alpha [13]. En amont de la cascade de signalisation intracellulaire conduisant à l'activation de MEKK-1, il a été démontré que l'activation de GTPases de petites tailles (Rac-1, Cdc42) entraînait également une activation de la voie du NF-kB [14].

IKK-alpha et IKK-ß font partie d'un complexe de haut poids moléculaire au sein duquel d'autres composés auraient un rôle de protéines adaptatrices. Deux protéines, NEMO (NF-kB essential modulator ou IKK-alpha) et IKAP (IKK-complex-associated protein) semblent indispensables pour l'activité des kinases après stimulation par le TNF-alpha, l'IL1ß ou le LPS [15, 16]. Il paraît évident que d'autres protéines constituant le complexe de haut poids moléculaire devraient être identifiées prochainement. Ainsi, la compréhension du mécanisme d'activation et de régulation des IKKs ainsi que leur interaction avec les autres protéines du complexe de haut poids moléculaire reste actuellement une question capitale pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques.

La stimulation de la cascade d'activation du NF-kB

La stimulation de la réponse immune innée lors d'une infection bactérienne se traduit par une production rapide de cytokines, telles que l'IL1ß et le TNF-alpha. Ces cytokines jouent un rôle central dans la régulation de la réponse inflammatoire locale et systémique en activant l'expression de plusieurs familles de gènes eux-mêmes impliqués dans la réponse pro-inflammatoire aiguë [17]. Les stimuli les mieux caractérisés pour l'activation du NF-kB sont l'IL1ß et le TNF-alpha. La transduction d'un signal intracellulaire utilise un système de récepteurs transmembranaires spécifiques qui empruntent des voies de signalisation intracellulaires distinctes. La famille des récepteurs TLR joue un rôle fondamental dans la reconnaissance du « non- soi » infectieux par l'immunité innée et activent NF-kB par un mécanisme de signalisation similaire à celui de l'IL1ß [18].

Ces voies de signalisation semblent converger vers l'activation de NIK et des IKKs. En amont, NIK interagit avec des protéines adaptatrices de la famille des TRAF (TNF receptor associated factor).

La voie de signalisation intracellulaire des récepteurs à l'IL1 et des TLR

Deux récepteurs membranaires à l'IL1, IL1R1 et IL1R2 sont connus à ce jour, ainsi qu'un récepteur accessoire à
IL1R1 (IL1RAcp) [17]. La structure de leur domaine extracellulaire appartient à la superfamille des immunoglobulines puisqu'ils sont composés de plusieurs domaines de structure similaire aux immunoglobulines. Le récepteur IL1R2 possède un petit domaine intracellulaire de 26 acides aminés mais ne permet pas de transduire le signal en présence d'IL1ß. La structure primaire du domaine intracellulaire du IL1R1 présente une homologie de 45 % avec celle du récepteur Toll initialement décrit chez Drosophila melanogaster, qui se caractérise par un domaine extracellulaire LRR (Leucin Rich Repeats). Parallèlement à son rôle dans le développement embryonnaire, le récepteur Toll participe chez la drosophile adulte à la réponse anti-microbienne et notamment antifongique en contrôlant la production de peptides antimicrobiens (drosomycine, cécropine, attacine, et défencine) [19]. L'interaction de Toll avec son ligand appelé Spatzle, entraîne une activation du facteur transcriptionnel Dorsal ; l'homologue du facteur transcriptionnel NF-kB humain (figure 4). Ses similarités ont récemment conduit à l'identification et au clonage, chez les mammifères et en particulier chez l'homme, de plusieurs homologues au récepteur Toll (TLR) [20]. En raison des homologies des domaines cytoplasmiques des récepteurs de la famille à l'IL1 et de ceux de la famille des TLR, ils sont désormais désignés sous le nom de domaines TIR (Toll/IL1R homology domain) [20].

La voie de signalisation intracellulaire empruntée par l'IL1R1 et les TLRs partage des ressemblances étonnantes avec celle activée par le récepteur Toll de la drosophile (figure 4). En effet, la signalisation intracellulaire générée par l'interaction Toll/Spatzle chez Drosophila melanogaster nécessite une protéine adaptatrice appelée Tube, lui permettant de s'associer à la protéine kinase Pelle qui active le facteur transcriptionnel Dorsal. Chez les mammifères, la protéine MyD88 serait l'homologue fonctionnel de Tube, et semble indispensable à la transduction d'un signal généré par un récepteur de la famille de l'IL1 ou des TLRs [18, 21, 22].

La structure de MyD88 se distingue par un domaine TIR carboxy-terminal et pour un domaine DD amino-terminal, par l'intermédiaire duquel elle se lie en aval à une sérine/thréonine kinase appelée IRAK (IL1R Associated Kinase), homologue à la protéine kinase Pelle de la drosophile. Après stimulation par l'IL1ß, IRAK est phosphorylée, se décroche du complexe MyD88-IRAK, se lie à TRAF.6 dans le cytoplasme [23] et active les protéines de la famille des MAP3K, TAK1 [24] et NIK. Bien que très similaires, les voies de signalisation par les récepteurs TLR et IL1R ne semblent pas identiques en terme d'expression de gènes cibles [18].

La voie de signalisation intracellulaire du récepteur au TNF

Il existe deux récepteurs au TNF, TNFR1 (75 kDa) et TNFR2 (55 kDa), appartenant à une vaste famille de récepteurs se caractérisant par un domaine extracellulaire possédant des régions riches en cystéines. Au niveau de la région intracytoplasmique, seuls quelques récepteurs partagent une certaine homologie par l'existence d'un domaine DD : FAS et TNFR. L'appellation donnée au domaine intracellulaire tient au fait que tous ces récepteurs sont exclusivement impliqués dans l'apoptose, à l'exception du TNFR qui transduit le signal aussi bien pour l'apoptose que pour l'activation du facteur transcriptionnel NF-kB [25]. Lors d'une stimulation par le TNF-alpha, le récepteur TNFR1 s'agrège, réalisant une structure trimérique suggérant que l'interaction des domaines DD cytoplasmiques permet d'initier le signal de transduction. L'activation de la voie du NF-kB par le TNF est principalement médiée par la protéine adaptatrice TRAF.2 qui se lie directement au TNFR2 et indirectement au TNFR1 en s'associant aux protéines TRADD (TNF Receptor Assaciated Death Domain) et RIP (Receptor Interacting Protein) [25, 26] (figure 1). L'interaction de TRAF.2 avec NIK permet d'activer la cascade des kinases aboutissant à l'activation du NF-kB.

L'activation parallèle de l'apoptose par le TNF-alpha permis de comprendre le rôle anti-apoptotique joué par NF-kB [27]. L'activation du facteur transcriptionnel NF-kB induirait l'expression de protéines protégeant la cellule de l'apoptose [28-30]. L'inhibition du phénomène apoptotique pourrait favoriser la survie intracellulaire de certaines bactéries telles que Rickettsia rickettsii [31].

L'activation du NF-kB lors d'une infection

Une infection bactérienne induit chez l'hôte une réponse immuno-inflammatoire d'intensité variable connue sous le nom de sepsis pour sa forme bénigne, et de choc septique pour sa forme la plus grave puisqu'on attribue une mortalité d'environ 50 %. Cette réaction se caractérise par une sécrétion précoce de IL1ß et de
TNF alpha suivie de l'expression d'autres protéines pro-inflammatoires solubles (cytokines, médiateurs lipidiques, monoxyde d'azote...) ou membranaires (récepteurs aux cytokines, molécules de l'adhérence, facteur tissulaire) [32]. Cette réaction est directement déclenchée par de nombreux produits de la paroi bactérienne, tels que le lipopolysaccharide (LPS) des bactéries à Gram négatif, mais aussi par certains autres constituants abondants chez les bactéries à Gram positif (peptidoglycanes, acides lipotéichoïques...), ou encore d'autres facteurs sécrétés ou associés aux bactéries.

L'activation du NF-kB par les constituants de la paroi bactérienne

Le LPS des bactéries à Gram négatif

Le LPS est le constituant principal de la membrane externe des bactéries à Gram négatif. Il est constitué de trois régions distinctes : (1) le lipide A, composé d'un disaccharide lié en ß(1-6) à une longue chaîne d'acides gras, qui est le site actif de la molécule ; (2) une région centrale, caractérisée par sa constitution en un heptose inhabituel, le KDO (2-keto-3-deoxyoctonic), dont la présence semble indispensable à l'activité biologique du lipide A ; (3) une chaîne polysaccharide ayant principalement une fonction antigénique. Le mécanisme d'activation cellulaire par le LPS nécessite une interaction avec une protéine plasmatique, la LBP (LPS binding protein) et un récepteur membranaire, le CD14, présent à la surface des cellules de la lignée myélomonocytaire. Le CD14 existe également sous forme soluble, ce qui permet aux cellules qui ne l'expriment pas constitutivement à leur surface (cellules endothéliales...) d'être stimulées par le LPS. Cependant, le CD14 ne possède pas de domaine intracellulaire capable de transduire un signal sur le versant intracellulaire, impliquant l'existence d'un co-récepteur. La première découverte importante faite en 1998 était celle de l'identification du gène responsable de l'insensibilité au LPS de certaines lignées de souris (C3H/Hej et C57/10ScCr). Celles-ci possèdent une mutation au niveau du locus correspondant à un récepteur de la famille des TLR ; il s'agit du TLR4 murin [33]. Le phénotype de ces souris est celui d'une résistance aux doses létales d'endotoxines, mais en contrepartie elles sont très sensibles aux infections par des bactéries à Gram négatif. Le LPS n'étant pas intrinsèquement toxique, il est logique d'imaginer que sa reconnaissance par l'immunité innée comme un élément du « non-soi » infectieux soit essentiel à l'induction d'une réponse adaptée pour la défense antibactérienne. Il a ensuite été démontré que l'expression du récepteur TLR2 est à l'origine de la réactivité cellulaire vis-à-vis du LPS chez l'homme [34]. Il n'est pour l'instant pas évident que le récepteur TLR4 murin soit fonctionnellement équivalent au TLR2 humain en termes de réponse au LPS. Bien que l'intégration du signal par le biais de l'antigène CD14 reste encore à élucider, les TLR jouent le rôle de corécepteur de l'antigène CD14 et sont essentiels à la transduction du signal jusqu'à l'activation du NF-kB grâce à leur domaine transmembranaire TIR.

Peptidoglycanes et acides téichoïques

Le peptidoglycane (PG) et les acides téichoïques (TA) sont les principaux constituants de la paroi des bactéries à Gram positif (Streptococcus, Staphylococcus, Listeria monocytogenes...). Le PG se trouve au sein d'une couche épaisse placée autour de la membrane plasmique de la bactérie. Il est formé par une chaîne polyosidique, le glycane, constituée de N-acétylglucosamine et de son ester lactique, l'acide N-acétylmuramique, sur lequel s'attachent plusieurs unités tétrapeptidiques. Les TA, étroitement associés au PG, sont des polymères de glycérol-phosphate contenant des sucres (ribitol, mannitol) et de grandes quantités de D-alanine. Les acides lipotéichoïques (LTA) sont les TA associées aux glycolipides de la membrane cytoplasmique. Le PG et les TA sont à l'origine de l'induction d'un choc septique chez des patients infectés par des bactéries à Gram positif. À l'instar du LPS, ils induisent une réaction inflammatoire par un mécanisme dépendant de l'expression de l'antigène CD14 membranaire [35]. L'activation cellulaire qu'ils entraînent est principalement observée au niveau des cellules de la lignée myélomonocytaire, et semble dépendante d'une transduction du signal par la voie du NF-kB [36]. Chez l'homme, le récepteur cellulaire des PG et des LTA a récemment été identifié. Il s'agit, comme pour le LPS, du TLR2, alors que les récepteurs TLR1 et TLR4 ne jouent aucun rôle pour la transmission du signal lors d'une stimulation cellulaire par les PG ou les LTA [37]. Néanmoins, à la différence du LPS, l'activation cellulaire induite par les PG et les LTA est amplifiée uniquement par la co-expression de la protéine CD14 membranaire, alors que le CD14 soluble ne semble pas jouer de rôle [37, 38].

Les lipoprotéines bactériennes (LPB)

Les LPB sont également localisées dans les membranes des bactéries à Gram négatif et à Gram positif, incluant les mycobactéries Treponema pallidum, Mycoplasma et Borrelia burgdorferi [32]. Elles se caractérisent par leur lipo-aminoacide N-terminal : N-acyl-S-diacylglyceryl cystéine. La LPB de B. burgdorferi, OspA [39, 40] et une LPB de 47 kDa de T. pallidum [41] avaient été identifiées par leur capacité à activer NF-kB. Une LPB de 19 kDa de M. tuberculosis est aussi capable d'activer NF-kB en reconnaissant le TLR2 [42]. Il a été montré que les LPB par l'intermédiaire du TLR2 non seulement sont capables d'induire une activation cellulaire, mais peuvent également induire une apoptose comme les récepteurs de la famille du TNF [43]. L'intégrité du lipopeptide N-terminal est fondamentale à l'activité biologique des LPB par l'intermédiaire des TLR [42, 43] et constitue une cible idéale pour la reconnaissance d'un « non-soi » infectieux par l'immunité innée, puisqu'il est largement retrouvé dans le monde procaryote.

Les autres constituants de la paroi bactérienne

Le lipoarabinomannane (LAM) est un constituant majeur de la paroi des Mycobacterium capable d'activer les cellules macrophagiques en stimulant la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires (TNF-alpha, IL1ß, IL6, IL8, IL12), suggérant une activation du NF-kB [44]. Il reste à préciser si le LAM active NF-kB directement ou indirectement par l'intermédiaire des radicaux libres de l'oxygène [45] ou par un effet autocrine dû à la production de cytokines. Toutefois, il est intéressant de signaler que le LAM provenant d'une souche de M. tuberculosis non virulente (souche H37Ra) n'est pas capable de stimuler la production de TNF-alpha, contrairement à la souche virulente [46]. Enfin, l'activation directe du NF-kB au niveau des cellules monocytaires a également été rapportée pour des dérivés lipidiques de Mycoplasma penetrans [47] ou pour le lipophosphoglycane de Leishmania donovani [48].

L'activation du NF-kB par des facteurs de virulence bactérienne

Parallèlement aux constituants des parois bactériennes caractéristiques des grandes familles de pathogènes, chaque bactérie produit des effecteurs de virulence propre à leur physiopathologie. Au niveau de l'hôte, ces facteurs permettent aux bactéries d'adhérer, d'envahir et de disséminer au sein des tissus. Certaines bactéries à Gram négatif possèdent des systèmes de virulence complexes, notamment des systèmes de sécrétion de type III ou de type IV, qui semblent directement impliqués dans l'activation du NF-kB. Cependant, la nature des effecteurs et/ou les mécanismes biochimiques par lesquels ils induisent cette activation ne sont pour l'instant que partiellement connus.

Les adhésines

L'adhésion d'une bactérie au niveau d'une surface épithéliale (digestive, respiratoire ou urogénitale) est une première étape essentielle précédant tout processus invasif. Les structures bactériennes permettant cette adhérence sont d'une part les structures flagellaires (fimbriae ou pili), et d'autre part, des structures non flagellaires, incluant toutes les autres adhésines. Les adhésines bactériennes sont capables de se lier à une grande variété de molécules présentes à la surface des cellules de l'hôte. L'implication directe de ces structures dans l'activation du NF-kB a été démontrée pour Pseudomonas aeruginosa et Neisseria gonorrhoeae, mais les mécanismes de signalisation restent méconnus. P. aeruginosa infecte chroniquement l'épithélium trachéobronchique des patients atteints de mucoviscidose en provoquant une réaction inflammatoire intense secondaire à l'augmentation d'IL8. Cet effet résulte directement de la liaison des pili de P. aeruginosa avec leurs récepteurs non sialylés, asialoGM1 [49]. L'infection des muqueuses urogénitales par N. gonorrehoeae se caractérise par une réaction inflammatoire intense marquée par une infiltration massive de polynucléaires et de monocytes. Elle provoque une lésion de la barrière épithéliale qui facilite le passage de la bactérie vers les tissus sous-jacents. L'adhésion de N. gonorrehoeae dépendant de l'expression de la piline et de la protéine d'opacité, Opa, est directement responsable de l'activation du NF-kB et la production de cytokines inflammatoires. L'invasion des cellules épithéliales par N. gonorrehoeae n'est pas nécessaire puisqu'une activité transcriptionnelle persiste malgré une traitement des cellules par la cytochalasine D [50]. La voie de signalisation n'est pas connue pour l'instant.

Les systèmes de sécrétion de type III

Le système de sécrétion de type III, propre aux bacilles à Gram négatif, est également appelé système de sécrétion induit par le contact. Il représente pour les bactéries un mécanisme de virulence sophistiqué lui permettant de sécréter des produits en les délivrant au cytoplasme de la cellule hôte [51]. La bactérie peut ainsi léser ou envahir les cellules constituant une couche épithéliale. L'ensemble des gènes (au minimum huit) nécessaires au fonctionnement du système sont généralement regroupés au niveau du chromosome ou d'un plasmide [51].

Escherichia coli entéropathogène (EPEC) est une entérobactérie responsable de diarrhées, notamment chez l'enfant. Sa virulence tient à son système de sécrétion de type III qui favorise son adhésion au niveau de l'épithélium digestif grâce aux protéines EspA et EspB [52] et provoque un réarrangement du cytosquelette qui se traduit par un effacement des microvillosités cellulaires. Alors que les EPEC activent NF-kB au niveau des cellules épithéliales par un mécanisme ne dépendant pas du LPS, la mutation des gènes contrôlant l'adhésion est suffisante pour abolir cette activation. Cependant, le mécanisme de signalisation reste à définir.

D'autres bactéries entéropathogènes telles que Shigella, Samonella, et Yersinia possèdent également un système de sécrétion de type III. Pour Salmonella, ce système est codé par un ensemble de gènes connus sous le nom de complexe inv-spa localisé au niveau du centiosome 63 du chromosome sous forme d'un îlot de pathogénicité. En ce qui concerne Shigella, le complexe est connu sous le nom de mix-spa, se trouve sur un plasmide de virulence et permet la sécrétion des protéines Ipa A, -B, C et -D (ivasion plasmid antigen). Au niveau de la cellule hôte, Shigella et Salmonella activent plusieurs voies de signalisation intracellulaires qui provoquent des ondulations de la membrane plasmique par réarrangement du cytosquelette. Ces modifications qui favorisent l'internalisation de la bactérie au sein de la cellule hôte sont dues à l'activation de GTPases telles que Rho, Rac-1 ou Cdc42. Néanmoins, comme pour les EPEC, l'adhésion de la bactérie est suffisante pour provoquer une activation de NF-kB [53]. La protéine SpoE sécrétée par Salmonella interagit en amont de MEKK 1 au niveau de la GTPase Cdc42 et est probablement à l'origine de l'activation du NF-kB [54]. Il n'existe pas d'homologue à la protéine SpoE chez Shigella, dont l'invasion des cellules épithéliales dépend de son interaction avec la GTPase Rho mais pas avec Rac ni avec Cdc42 [55]. Contrairement à Salmonella, l'endocytose de Shigella est indispensable à l'activation du NF-kB [56]. À ce propos, il est intéressant de constater que Shigella provoque une apoptose associée à une réaction inflammatoire caractérisée par la sécrétion d'IL1ß dans le milieu extracellulaire, mais pas des autres cytokines telles que TNF-alpha ou IL6 [57]. Le mécanisme récemment suggéré est celui d'une activation de la caspase I ou ICE (IL1ß converting enzyme) par une interaction directe avec IpaB, qui clive la proIL1ß en une forme mature pouvant être sécrétée [57]. La nature, et le mécanisme direct ou indirect de l'activation du NF-kB par Shigella reste à établir.

Le genre Yersinia inclut 3 espèces pathogènes pour l'homme. Y. pestis est l'agent étiologique de la peste, et Y. pseudotuberculosis et Y. enterolytica sont surtout responsables de gastro-entérites et de lymphadénopathies. Les gènes codant pour le système de sécrétion de type III se trouvent au niveau d'un plasmide de virulence (pYV) qui permet de délivrer à l'intérieur des cellules eucaryotes les protéines Yops (Yersinia outer proteins) [58, 59]. Les différents mécanismes de signalisation induits au niveau de la cellule hôte pour favoriser l'adhésion et l'invasion des cellules épithéliales sont actuellement bien décrits [60]. Cependant, bien que le LPS constituant leur paroi puisse induire une réponse inflammatoire puissante, ces trois espèces ont en commun la faculté d'échapper à la réaction immune de l'hôte au point de pouvoir se multiplier dans les ganglions lymphatiques sans entraîner de réaction inflammatoire [58]. Parallèlement à l'inhibition de la phagocytose en paralysant l'actine du cytosquelette des cellules phagocytaires, la virulence de Yersinia se caractérise également par l'inhibition de l'activation du NF-kB et de la sécrétion de protéines pro-inflammatoires [61]. Parmi les protéines synthétisées par pYV chez Y. pseudotuberculosis, la protéine YopJ est probablement responsable de l'inhibition de la translocation nucléaire du NF-kB. Le mécanisme semble être le blocage de la dégradation de IkB-alpha après l'étape de phosphorylation [62].

Les systèmes de sécrétion de type IV

La sécrétion de type IV propre aux bactéries à Gram négatif était décrite comme un système de transport permettant de mobiliser de l'ADN d'une bactérie à une autre ou d'une bactérie vers une cellule eucaryote. Récemment, la définition a été élargie au transport d'unités protéiques. Ce système de sécrétion est décrit pour Agrobacterium tumefaciens (système Vir), Rickettsia prowazekii (système RP ORF), Bordetella pertussis (système Ptl), E. coli (système tra[pKM101] et Helicobacter pylori (système Cag), et participe directement à leur virulence [63]. L'activation du NF-kB par ce système de sécrétion à été étudié chez H. pylori et se révèle essentiel à sa physiopathologie. H. pylori par son tropisme pour la muqueuse gastrique, fait de cette bactérie l'agent étiologique de l'ulcère duodénal, de la gastrite chronique et de certaines formes d'adénocarcinomes gastriques. Le système de sécrétion de type IV de H. pylori comprend 31 gènes insérés dans le chromosome sous forme d'un îlot de pathogénicité de 40 kb nommé cag [64]. Seules les bactéries qui possèdent cet îlot de pathogénicité sont capables d'induire une réaction inflammatoire caractérisée par l'augmentation de la sécrétion de l'IL8 secondaire à une activation du NF-kB [65, 66]. Au sein de l'îlot de pathogénicité cag, une mutation concernant les gènes picA1 ou picB abolit la capacité de la bactérie à activer NF-kB en altérant probablement le système de transport de protéines picB/cagE [67]. Étant donné le caractère chronique de l'infection par H. pylori une induction permanente du NF-kB, protégeant la cellule de l'apoptose, pourrait contribuer à l'oncogenèse en favorisant une dysrégulation de la maturation et de la différenciation des cellules de l'épithélium gastrique [68].

Les toxines bactériennes

La ou les toxines sécrétées par de nombreuses bactéries sont souvent un des principaux effecteurs de leur virulence. Les toxines sont classées en trois groupes selon leur mode d'action : (1) toxines provoquant une altération de la membrane plasmique par la formation de pores, telles que la perfringolysine (PFO) de Clostidum perfringens ou la listériolysine (LLO) de L. monocytogenes ; (2) toxines agissant au niveau d'un récepteur membranaire tel que l'enterotoxine ST (thermo-stable) de E. coli ; (3) toxines ayant une activité enzymatique dans le milieu intracellulaire, telles que les toxines diphtérique, tétanique, botulinique ou la toxine shiga (Stx) sécrété par Shigella dysenteriae-1 et E. coli entérohémorragique O157 : H7.

La LLO de L. monocytogenes est un facteur de virulence majeur, essentielle pour le caractère invasif de la bactérie. En effet, L. monocytogenes est capable de traverser les barrières endothéliales pour infecter le placenta et le système nerveux central ; localisations faisant toute la gravité de cette infection. L'endothélium joue probablement un rôle physiopathologie essentiel puisque la migration transendothéliale des cellules monocytaires infectées semble être le mécanisme le plus vraisemblable du passage des barrières fœto-placentaire et hémato-encéphalique. La sécrétion d'une LLO fonctionnelle dans le milieu extracellulaire active
NF-kB dans les cellules endothéliales in vitro [69]. Elle se traduit par une augmentation de l'expression des gènes impliqués dans l'adhésion et le passage trans-endothélial des monocytes tels que ICAM-1, VCAM-1, E-sélectine, IL8, MCP-1 [69, 70]. L'expression des gènes contrôlés par NF-kB a été objectivée in vivo au niveau des cellules endothéliale, de la barrière hémato-encéphalique sur un modèle de souris transgéniques infectées par L. monocytogenes [69]. Toutefois, la voie de signalisation empruntée par la LLO pour activer NF-kB reste pour l'instant inconnue.

S. dysenteriae et E. coli entérohémorragique O157 : H7 sont responsables de diarrhées sanglantes et du syndrome hémolytique et urémique (SHU). Elles sécrètent des toxines appelées shiga toxines (Stx), responsables d'une cytotoxicité tissulaire et notamment vasculaire. In vitro, la Stx induit une translocation nucléaire du NF-kB et la sécrétion de TNF-alpha et d'IL1ß par les cellules endothéliales. Ces résultats contribuent à la compréhension de la physiopathologie de SHU caractérisé par des lésions vasculaires diffuses [71].

Le parasitisme intracellulaire

Le parasitisme intracellulaire est un processus capital du pouvoir pathogène de certaines bactéries intracellulaires. En dehors de L. monocytogenes, les mécanismes moléculaires de ce parasitisme restent méconnus. L'activation du NF-kB dont le mécanisme nécessite la présence d'une bactérie dans le milieu intracytoplasmique de la cellule hôte a été démontrée pour quelques bactéries seulement. Parmi les bactéries intracellulaires obligatoires, les Chlamydiae, et les Rickettssia activent NF-kB par un mécanisme vraisemblablement différent. Chlamydia pneumoniae est une bactérie à Gram négatif, responsable chez l'homme de pathologies touchant en priorité l'arbre trachéobronchique. Récemment, cette bactérie a été incriminée dans la formation de plaques athérosclérotiques sous-entendant un rôle-clé des cellules endothéliales dans sa physiopathologie. L'infection in vitro des cellules endothéliales provoque dès la dixième minute une activation transitoire du NF-kB se traduisant par une augmentation de l'expression de molécules de l'adhérence (ICAM-1 et E-sélectine). Le LPS de la bactérie n'étant vraisemblablement pas en cause, l'activation du NF-kB ne nécessite pas l'internalisation de celle-ci. Toutefois, la viabilité bactérienne est indispensable pour induire un tel phénomène, suggérant la sécrétion d'un facteur de virulence qui reste à identifier [72].

Les Rickettisia sont des petites bactéries ne possédant pas de paroi. L'espèce R. rickettsii est responsable de fièvre exanthématique connue sous le nom Rocky Mountain fever. Les cellules endothéliales de la paroi vasculaire sont les principales cibles de la bactérie. L'activation du NF-kB induite par R. rickettsii se fait directement par un processus biochimique qui requiert sa présence dans le cytoplasme. L'inhibition de son passage intracellulaire par la cytochalasine D diminue fortement la capacité de R. rickettsii à activer NF-kB [73]. L'effecteur bactérien responsable de l'activation du NF-kB n'est pas pour l'instant identifié ; néanmoins, quelques éléments existent sur son mécanisme biochimique et sur les conséquences physiopathologiques. Grâce à un modèle in vitro, réalisé à partir d'extraits cytoplasmiques dépourvus de tout système de membrane cellulaire, il a été rapporté que l'activation du NF-kB se fait indépendamment de la dégradation de IkB-* par la voie du protéasome 26S, suggérant l'existence d'une nouvelle voie d'activation [74]. Parallèlement à l'augmentation de la sécrétion de cytokines et à l'expression de molécules que l'adhérence par les cellules endothéliales, il a été démontré que l'activation du NF-kB protège la cellule infectée d'une évolution vers un phénomène d'apoptose, ce qui favorise le maintien du parasitisme intracellulaire et la dissémination de l'infection [31].

Le parasitisme intracellulaire de L. monocytogenes, qui est intracellulaire facultatif, participe également à une activation du NF-kB. Les différentes étapes de son parasitisme intracellulaire, notamment au sein des cellules monocytaires, sont contrôlées par les produits de plusieurs gènes de virulence [75]. Des études réalisées sur des lignées macrophagiques ont montré que l'activation du NF-kB est d'une part biphasique et d'autre part, plusieurs mécanismes semblent participer à cette activation [76]. On observe, à la phase précoce, une activation transitoire du NF-kB qui ne nécessite pas l'internalisation de la bactérie, et qui serait induite par le LTA de la paroi bactérienne [76]. Puis, une activation persistante du NF-kB, secondaire à la dégradation de IkB-ß, nécessite la lyse de la vacuole de phagocytose par une exotoxine, la LLO, et le passage intracytoplasmique de la bactérie. Une fois dans le cytoplasme, la production par les bactéries de la phosphadidyl inositol-phospholipase C (PI-PLC) et la phosphadidyl choline-phospholipase C (PC-PLC) activerait NF-kB par la voie de la sphyngomyélinase [76]. Bien que non encore démontré pour L. monocytogenes, il est tentant de penser qu'une activation persistante du NF-kB au niveau des cellules monocytaires pourrait avoir un effet anti-apoptotique favorisant le parasitisme intracellulaire de la bactérie.

Lexique

DD = Death domain

IKAP = IKK-associated protein

IkB = Inhibitor of *B

IKK = IkB kinase

IL1R = IL1 receptor

IL1RAcp = IL1 receptor accessory protein

IRAK = IL1R-associated kinase

LPS = Lipopolysaccharide

LRR = Leucine rich repeat domain

MAPK = Mitogen activated protein kinase

MAP2K = MAPKkinase ; MAP3K = MAPK kinase kinase

MEKK-1 = Mitogen activated protein kinase/
extracellular signal regulated kinase kinase 1

MyD88 = Myeloid differentiation factor 88

NLS = Nuclear localisation sequence

NF = Nuclear factor

NIK = NF-kB inducing kinase

RHD = Rel homology domain

TIR = Toll-IL1R homology

TLR = Toll-like receptor

TNF = Tumor necrosis factor

TRADD = TNF receptor-associated death domain

TRAF = TNF receptor-associated factor

CONCLUSION

Par analogie avec les insectes, la voie du NF-kB constitue, sur le plan phylogénétique, le plus ancien des systèmes de signalisation pour la réponse immunitaire innée. Parallèlement à son rôle dans la défense antibactérienne, il occupe aussi une place déterminante dans la mise en place de l'immunité adaptative et acquise grâce à la stimulation de l'expression de molécules costimulatrices (B.7, HLADrII, TAP.1) (tableau 1).

Lors d'une infection, la réaction inflammatoire contrôlée par le NF-kB doit être comprise avant tout comme une réaction de défense de l'hôte. Cependant, lorsque cette réaction est disproportionnée ou mal contrôlée, pour des raisons que l'on ignore, elle pourrait s'avérer délétère, dans le choc septique par exemple.

La découverte des TLR a donné un nouvel élan aux études des interactions hôte-pathogènes. Pour l'instant le TLR2 humain se révèle être un élément essentiel pour la transduction du signal lors de la reconnaissance d'un « non-soi » infectieux. Mais il ne serait pas déraisonnable d'envisager que d'autres TLR ou des combinaisons de plusieurs TLR puissent être impliqués dans la reconnaissance de constituants moléculaires propres aux pathogènes. Il serait alors tentant d'imaginer que l'activation du NF-kB, en termes de réponse immunitaire innée, soit adaptée à chaque famille de pathogène.

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