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Quelles nouveautés sur un agent pathogène centenaire ?


Médecine thérapeutique / Pédiatrie. Volume 9, Numéro 3, 147-54, Mai-Juin 2006, Dossier


Résumé  

Auteur(s) : Valérie Caro , Unité Prévention et thérapie moléculaires des maladies humaines, CNR coqueluche et autres bordetelloses, FRE CNRS 2849, Institut Pasteur, 25, rue du docteur Roux, 75015 Paris.

Résumé : Bordetella pertussis est une bactérie à Gram négatif particulièrement difficile à cultiver. L’année 2006 célèbre le centième anniversaire de son isolement, réalisé par Bordet et Gengou en 1906, suite à la mise au point d’un milieu de culture complexe à base de pommes de terre. Pathogène pour l’arbre respiratoire de l’homme et agent de la coqueluche, B. pertussis induit une maladie caractéristique, liée à la synthèse de nombreux facteurs de virulence. Mais que connaît-on aujourd’hui de ce pathogène centenaire ? D’abord envisagée comme un syndrome essentiellement toxinique, la coqueluche est en fait due à l’expression de nombreux facteurs de virulence, classés en adhésines et toxines. Depuis des dizaines d’années, de nombreuses recherches ont été entreprises afin de mieux caractériser ces protéines, sans toutefois avoir élucidé toute la subtilité de leur mode d’action, tant la pathogenèse est complexe. Plus récemment, de nouvelles approches moléculaires ainsi que le séquençage du génome complet de la bactérie ont ouvert de nouvelles voies d’investigation. Les premiers résultats ne font que confirmer l’extrême complexité des mécanismes moléculaires de la virulence d’un pathogène centenaire, qui n’a pas encore dévoilé tous ses secrets.

Mots-clés : Bordetella pertussis, coqueluche, toxines, adhésines

ARTICLE

Auteur(s) : Valérie Caro

Unité Prévention et thérapie moléculaires des maladies humaines, CNR coqueluche et autres bordetelloses, FRE CNRS 2849, Institut Pasteur, 25, rue du docteur Roux, 75015 Paris

La coqueluche, infection respiratoire aiguë hautement contagieuse, est causée par une bactérie à Gram négatif, Bordetella pertussis, qui fut isolée pour la première fois en 1906 par J. Bordet et O. Gengou. Ce pathogène strictement humain ne présente pas de réservoir animal ou environnemental connu à ce jour. Alors que tout récemment le genre bactérien Bordetella s’est agrandi et comporte dorénavant neuf espèces identifiées, seulement trois d’entre elles, outre B. pertussis, sont responsables de pathologies respiratoires mammaliennes, i.e. B. parapertussis, B. bronchiseptica et B. holmesii [1]. Il est important de noter ici que B. pertussis n’infecte que les hommes, B. parapertussis que les hommes et les ovins, alors que B. bronchiseptica est un pathogène pour un grand nombre d’espèces animales mammifères. La biologie et autres mécanismes de virulence, sont peu connus pour B. holmesii ; en revanche, B. pertussis, B. parapertussis et B. bronchiseptica ont fait l’objet d’études approfondies depuis des décennies, avec un essor tout particulier en 2005 grâce à des approches génomiques exhaustives.En effet, nous disposons maintenant de la séquence complète mais aussi de la comparaison des génomes des trois espèces principales de Bordetella [2]. La comparaison globale des structures des génomes, ainsi que leur différence de taille, corroborent les hypothèses précédemment émises selon lesquelles B. pertussis et B. parapertussis auraient évolué de façon indépendante à partir d’un ancêtre commun de type B. bronchiseptica. La taille du génome de la souche RB50 (souche référence de B. bronchiseptica) est de 5,34 Mb, alors que celles des souches Tohama I (souche référence de B. pertussis) et 12822 (souche référence de B. parapertusis) ne sont respectivement que de 4,09 et 4,77 Mb. Une importante colinéarité des génomes est observée entre B. bronchiseptica et B. parapertussis, accompagnée cependant de quelques réarrangements encadrés par des séquences d’insertion (IS1001 et IS1002). Des réarrangements ont également eu lieu pour B. pertussis, mais de façon plus extensive. En effet, plus de 150 réarrangements encadrés par des séquences d’insertion IS481 ont été identifiés chez B. pertussis. Avec l’utilisation d’une puce à ADN portant 93 % du génome de B. pertussis et 75 % du génome de B. parapertussis, une étude a révélé qu’une petite dizaine de gènes seraient uniques à B. pertussis et a priori aucun à B. parapertussis [3]. L’ensemble de ces observations indique donc que la restriction d’hôte observée pour B. pertussis et B. parapertussis est plutôt liée à une perte qu’à une acquisition de matériel génétique. Les nombreux gènes perdus par B. pertussis, par rapport à B. bronchiseptica, codent pour des phages ou des protéines impliqués dans le métabolisme de petites molécules, le transport membranaire et la biosynthèse de structures de surface. En renfort de cette délétion génétique substantielle, les génomes de B. pertussis et B. parapertussis comprennent respectivement 358 et 200 pseudogènes, c’est-à-dire des gènes inactivés pour la plupart par des séquences d’insertion. Finalement, les gènes connus ou suspectés d’être impliqués dans la pathogénicité restent présents dans les génomes des espèces de Bordetella adaptées aux hommes [4]. Toutefois, alors que ces espèces sont largement étudiées depuis des années, des données fonctionnelles exhaustives ne sont disponibles que pour une petite proportion du génome séquencé et il reste un large travail d’annotation fonctionnelle à fournir.Généralement, une infection due à un pathogène bactérien présente quatre étapes importantes, (i) l’adhésion, (ii) l’échappement aux défenses immunitaires de l’hôte, (iii) les manifestations locales et enfin (iv) les manifestations systémiques. B. pertussis n’échappe pas à ce dogme. En effet, dès son entrée dans l’appareil respiratoire humain, B. pertussis va interagir avec les cellules trachéales ciliées, coloniser le tractus par l’adhésion aux cellules épithéliales et se multiplier localement. Le rôle des adhésines, multiples et redondantes, y est alors prépondérant. Elles permettent également à B. pertussis d’interférer avec les cellules du système immunitaire de l’hôte infecté. S’ensuit une période de prolifération bactérienne, vraisemblablement nécessaire à B. pertussis pour sécréter suffisamment de facteurs protéiques induisant les effets biologiques observés. Les effets toxiques observés comportent des manifestations locales comme la destruction et l’élimination des cellules ciliées, l’accumulation de mucus par paralysie du système d’épuration ciliaire, la réaction inflammatoire, et les effets systémiques limités à l’hyperlymphocytose.B. pertussis exprime ainsi une série de facteurs de virulence qui interviennent à l’une des diverses étapes de la maladie [1, 5]. Ces différents facteurs, qui sont soit sécrétés soit exprimés à la surface de la bactérie, ont été entre autres identifiés grâce à des modèles cellulaires ou animaux, pour ces derniers le plus souvent murins. À l’instar d’autres pathologies infectieuses bactériennes, telles que la diphtérie ou le tétanos, la coqueluche a été initialement présentée comme une maladie essentiellement toxinique. Mais aujourd’hui, il est clairement démontré et admis que tous ces facteurs de virulence (classés en adhésines et toxines) sont à l’origine de l’expression de la maladie. De plus, bien qu’elles aient chacune un rôle spécifique dans le déroulement de la pathogenèse, les adhésines et les toxines peuvent également avoir des fonctions synergiques.De nombreux facteurs sont impliqués dans la facilitation à l’adhésion de la bactérie et selon les connaissances actuelles, comportent l’hémagglutinine filamenteuse ou FHA, les protéines fimbriales ou FIM, la pertactine ou PRN, le domaine B de la toxine de pertussis, et quelques autres autotransporteurs. En conséquence de cette redondance des adhésines, il est difficile d’évaluer les fonctions précises individuelles et leur intervention séquentielle dans ce processus d’adhésion. Toutefois, dans des conditions de laboratoire in vitro, il semblerait que la FHA soit une des adhésines majeures, ou tout au moins une des plus étudiées.

Adhésines

Hémagglutinine filamenteuse ou FHA

La FHA est une protéine filamenteuse monomérique repliée en épingle à cheveux. Synthétisée au départ sous forme d’un précurseur d’environ 360 kDa, codé par le gène fhaB, la FHA subit ensuite une série de maturations N- et C-terminales, résultant en une protéine d’environ 220 kDa. La FHA est transportée à travers la membrane cytoplasmique par un système Sec, peptide signal-dépendant. Son transport et sa sécrétion requièrent une protéine auxiliaire appelée FhaC, localisée dans la membrane externe. FhaC prend la conformation d’un tonneau transmembranaire, facilitant la sécrétion de la FHA en servant de pore spécifique dans la membrane externe. La FHA traverse très probablement la membrane externe dans une conformation étendue et acquiert sa structure tertiaire à la surface cellulaire, à la suite d’importantes modifications protéolytiques N- et C-terminales récemment caractérisées [1, 5].

Une fois à la surface cellulaire, une partie C-terminale (environ 130 kDa) de la FHA est protéolysée par une protéase de type subtilisine nouvellement identifiée, sphB1 [6]. Cette partie C-terminale du précurseur FHA serait une molécule chaperone intramoléculaire, qui éviterait un repliement prématuré de l’adhésine. Ensemble, FHA et FhaC forment les prototypes d’une nouvelle famille de systèmes de sécrétion des bactéries à Gram négatif appelés TPS (two-partner secretion). Bien que ce système de sécrétion soit efficace, une quantité significative de FHA reste associée à la surface cellulaire par un mécanisme encore inconnu.

De nombreuses études in vitro sur différentes lignées cellulaires animales ou humaines suggèrent que la FHA exprime au moins quatre domaines indépendants d’adhérence. Tout d’abord, le motif RGD, localisé au milieu de la protéine et commun avec des protéines d’adhésion eucaryotes, est impliqué dans l’adhérence aux monocytes/macrophages et probablement aux autres leucocytes via le complexe LRI/IAP (leukocyte response integrin/integrin-associate protein) et l’intégrine CR3 (complement receptor type 3). De façon spécifique, le motif RGD de la FHA est aussi impliqué dans la liaison à l’intégrine VLA-5 (very late antigen 5) exprimée par les cellules épithéliales bronchiques, induisant l’activation de NF-kB, et en conséquence ICAM-1 (intercellular adhesion molecule 1) et l’accumulation leucocytaire [7]. La FHA possède aussi un domaine de reconnaissance des carbohydrates (CRD) qui permet l’adhésion aussi bien aux cellules épithéliales respiratoires ciliées qu’aux macrophages in vitro. De plus, la FHA présente une activité de type lectine pour l’héparine et autres carbohydrates sulfatés, permettant l’interaction avec les cellules épithéliales non ciliées. Ce domaine de fixation à l’héparine est distinct des motifs RGD et CRD et il est nécessaire à l’hémagglutination [1, 5].

L’analyse des génomes des trois espèces Bordetella a révélé l’existence de deux gènes supplémentaires codant des protéines semblables à FHA, fhaS et fhaL [2]. Bien que le rôle exact de ces protéines ne soit pas encore élucidé, la protéine prédite FhaS présente une forte homologie avec son homologue FHA, indiquant une fonction similaire. Cependant, la régulation de leur expression serait un peu différente et elles n’auraient pas exactement le même rôle au cours de l’infection [8].

La FHA, induisant la synthèse d’anticorps après infection, est un des constituants des vaccins coquelucheux sous-unitaires.

Protéines fimbriales ou FIM

Comme de nombreuses autres bactéries à Gram négatif, B. pertussis exprime des protéines polymériques, filamenteuses à la surface cellulaire, appelées fimbriae ou FIM. Les sous-unités majeures fimbriales, qui forment les deux sérotypes prédominants chez B. pertussis Fim2 et Fim3 (ou agglutinogènes 2 et 3), sont codées par les gènes indépendants fim2 et fim3, respectivement. Avec le séquençage des génomes ont été identifiés un troisième gène, fimX, codant une sous-unité fimbriale non exprimée ou seulement faiblement par les 3 espèces B. pertussis, parapertussis et bronchiseptica, ainsi qu’un quatrième et cinquième loci fimN et fimA, respectivement délété et tronqué chez B. pertussis. L’expression des différents gènes fim est notamment régulée par des mutations dans leur région promotrice, riche en cytosines entre les éléments – 10 et – 35. Ces délétions et insertions affectent indépendamment la transcription des différents gènes, et B. pertussis exprime ainsi soit Fim2, soit Fim3, soit FimX ou bien une combinaison de ces facteurs [9]. Cette expression est à la base du sérotypage. La biosynthèse de Fim2 et Fim3 nécessite les protéines accessoires : FimB, protéine chaperonne périplasmique, FimC, protéine de membrane externe et la sous-unité fimbriale mineure FimD, qui constitue l’extrémité des protéines fimbriales Fim2 et Fim3. Ces protéines sont codées par l’opéron fimABCD, qui est regroupé avec l’opéron codant la biosynthèse de la FHA. Cet opéron fimABCD n’est pas sujet aux variations de phases dues aux mutations dans la région promotrice, mais la moindre mutation dans le locus proprement dit entraîne une totale absence d’expression des FIM à la surface de la bactérie. Ces données suggèrent que ce locus est unique sur le chromosome de B. pertussis. Bien que les protéines fimbriales soient impliquées dans le processus d’attachement à l’épithélium de l’hôte, leur rôle exact dans la physiopathologie de la coqueluche n’est pas encore clairement défini, dû en partie à leur expression variable et instable aussi bien in vitro qu’in vivo. Les protéines fimbriales permettent l’adhésion de la bactérie aux glycoconjugués sulfatés de l’épithélium respiratoire via les sous-unités majeures fimbriales. Quant à la sous-unité FimD, elle se fixe sur l’intégrine VLA-5 à la surface des macrophages, ce qui induit une augmentation de la production de l’intégrine CR3, favorisant ainsi l’interaction de la FHA avec les macrophages. Les protéines fimbriales et la FHA semblent ainsi coopérer dans les phénomènes d’adhésion de B. pertussis aux cellules phagocytaires. Des domaines de liaison à l’héparine ont été identifiés sur la sous-unité Fim2 et trouvés semblables à ceux des protéines eucaryotes de la matrice extracellulaire, telle la fibronectine [1, 5].

Les protéines fimbriales induisent la synthèse d’anticorps après infection et font partie de la composition de certains vaccins sous-unitaires.

Pertactine ou PRN

B. pertussis exprime un certain nombre de protéines sécrétées à sa surface et qui appartiennent à la famille des autotransporteurs, c’est-à-dire capables de diriger leur propre transport vers la membrane externe après autoprotéolyse de leur partie C-terminale [10]. La pertactine, précurseur de 94 kDa contenant un peptide signal, est associée à la surface externe de la bactérie sous la forme d’une protéine mature de 69 kDa. La pertactine contient le motif tripeptide RGD, des régions riches en proline et des régions répétées riches en leucine, tout un ensemble de motifs communément présents dans les interactions protéines-protéines impliquées dans l’attachement aux cellules eucaryotes. La pertactine possède aussi deux régions immunodominantes I et II [1, 5]. La région I de la PRN exprimée par B. pertussis est assez polymorphe. L’analyse de ce polymorphisme, toutefois limité, indique que les isolats circulant dans le monde expriment une région I différente de la PRN exprimée par les souches vaccinales ou les isolats de l’ère prévaccinale [11]. La pertactine induit la synthèse d’anticorps après infection et fait partie de la plupart des vaccins sous-unitaires.

Toxine de Pertussis ou PT

Cette protéine, appartenant à la famille des toxines de type A-B, est synthétisée uniquement par B. pertussis, du moins parmi les espèces de Bordetelles identifiées jusqu’à présent. La toxine pertussique, présentant une activité ADP-ribosylante, est secrétée par la bactérie. Outre sa capacité à induire un certain nombre d’effets biologiques observés au cours de la maladie chez l’homme, la PT possède aussi un rôle d’adhésine. Cette toxine est composée de six polypeptides, S1 à S5, qui sont codés par l’opéron ptx. La partie A de la toxine est composée du polypeptide S1, alors que la partie B est pentamérique avec les polypeptides S2, S3, S4 et S5 assemblés suivant le ratio 1:1:2:1. Chaque sous-unité est synthétisée avec un peptide signal en N-terminal, suggérant que le transport vers le périplasme suit un mécanisme général d’export, analogue au système de type sec de E. coli. En revanche, la sécrétion de la toxine au travers de la membrane externe nécessite un appareil de sécrétion spécialisé de type IV, composé de neuf protéines. Les gènes codant ces protéines auxiliaires, appelées ptl, se trouvent immédiatement en aval des gènes de structure dans la même configuration opéronique.

L’oligomère B se fixe spécifiquement sur les cellules eucaryotes et permet ainsi l’entrée de la partie A de la toxine. Les sous-unités S2 et S3 de l’oligomère présentent une homologie avec les sélectines P et E des cellules endothéliales eucaryotes. Les sélectines, qui sont des glycoprotéines, ont pour fonction de fixer les polylactosamines sialylées et fucosylées situées à la surface des leucocytes. Cette fixation initie le phénomène de diapédèse des leucocytes qui migrent vers le site de l’inflammation. Cette fixation entraîne aussi l’activation des intégrines exprimées par les leucocytes, telle l’intégrine CR3. En conséquence, cette partie B, en raison de son homologie avec les sélectines, se fixerait sur les leucocytes, empêchant ainsi leur migration vers le site de l’inflammation, et serait à l’origine de l’hyperleucocytose avec hyperlymphocytose observée au cours de l’infection. Elle entraînerait aussi l’activation de l’intégrine CR3 sur laquelle se fixerait la FHA [1, 5].

Autres autotransporteurs

Beaucoup d’études ont été menées récemment sur les autotransporteurs. L’analyse des génomes des Bordetella a notamment révélé l’existence d’au moins une vingtaine d’autotransporteurs, la majorité exprimée par l’espèce B. bronchiseptica. Outre la pertactine, B. pertussis synthétise également plusieurs autres autotransporteurs, appelés TcfA (ou tracheal colonization factor), BrkA (ou bordetella resistance factor), SphB1 et vag8. Toutes ces protéines exhibent des homologies de séquence au niveau de leur domaine C-terminal et possèdent un ou plusieurs motifs RGD. SphB1 a été caractérisée comme une lipoprotéine/protéase de type subtilisine, dont le rôle est essentiel dans le clivage et la maturation C-terminale de la FHA. SphB1 est le premier autotransporteur intervenant dans un mécanisme de maturation d’un autre facteur de virulence sécrété par le même organisme. BrkA est exprimée sous la forme d’une protéine de 103 kDa, protéolysée ensuite en un domaine α de 73 kDa (protéine « passager ») et un domaine β de 30 kDa facilitant le transport en créant un pore de sécrétion et en agissant en molécule chaperonne. Comme la pertactine et SphB1, BrkA reste associée à la membrane bactérienne. Cette adhésine interviendrait dans la résistance à l’action bactéricide du sérum. Vag8 est une protéine membranaire externe de 95 kDa, présentant aussi de fortes homologies de séquence dans sa partie C-terminale avec PRN, BrkA et TcfA, suggérant une fonction d’autotransporteur. Cependant, Vag8 ne semble pas subir un clivage protéolytique de sa partie C-terminale et la partie exposée à la surface de la bactérie. TcfA, produite sous forme d’un précurseur de 90 kDa, est protéolysée en une protéine mature de 60 kDa. TcfA, le seul autotransporteur à ce jour spécifique de B. pertussis, est également le seul autotransporteur des Bordetella non associé à la surface bactérienne et sécrété. TcfA serait nécessaire à la bactérie pour adhérer aux cellules épithéliales trachéales [1, 5].

Toxines

Outre cette abondance d’adhésines dont un certain nombre reste encore probablement à découvrir, B. pertussis exprime aussi plusieurs toxines, dont certaines sont de nature protéique et d’autres non. B. pertussis synthétise tout d’abord une toxine cytotrachéale ou TCT, qui va détruire l’épithélium respiratoire cilié. Durant cette phase de destruction, les bactéries se multiplient et sécrètent d’autres toxines comme la toxine de pertussis ou PT et l’adényl cyclase-hémolysine ou AC-Hly, qui vont les protéger des défenses immunitaires de l’hôte.

Toxine cytotrachéale ou TCT

De tous les facteurs de virulence synthétisés par B. pertussis, seule la toxine cytotrachéale reproduit spécifiquement la cytopathologie épithéliale si caractéristique de la coqueluche. La TCT correspond à un monomère de disaccharide-tetrapeptide du peptidoglycane, produit par toutes les bactéries à Gram négatif. Ainsi, la TCT est constitutivement sécrétée par les Bordetelles. Cette toxine agit sur l’épithélium respiratoire en détruisant le mécanisme de clairance ciliaire et en empêchant de façon durable sa réparation. La TCT induirait en fait la production de NO, responsable de la destruction sévère des cellules ciliées [12]. Plus précisément, la TCT induirait la synthèse d’IL-1α dans les cellules non ciliée, qui contrôlent positivement l’expression de la NO synthétase, entraînant une forte production de NO. Le NO diffuserait ensuite aux cellules voisines ciliées, beaucoup plus sensibles aux effets toxiques du NO. La TCT agirait de façon synergique avec le lipopolysaccharide pour induire cette production de NO dans l’épithélium respiratoire [1, 5].

Toxine de pertussis ou PT

Après fixation de l’oligomère B de cette toxine sur la cellule eucaryote, la sous-unité S1, représentant le protomère A, va pénétrer dans la cellule et être responsable des effets toxiques par l’expression de son activité enzymatique. En effet, dans sa forme réduite, cette sous-unité S1 possède une activité ADP-ribosyl transférase, qui va inactiver les protéines G impliquées dans les mécanismes de régulation cellulaire, en particulier celle régulant l’activité de l’adényl cyclase eucaryote. Comment cette modification enzymatique induit-elle les effets biologiques, telles la sensibilité à l’histamine ou l’activation de la sécrétion d’insuline, observés lorsque la PT est injectée à un animal ? La réponse n’est pas encore connue mais le fait que cette toxine induise des effets biologiques chez l’animal a conduit à la considérer comme la toxine majeure synthétisée par B. pertussis. Cependant la PT ne semble pas avoir de rôle dans l’apparition de la toux typique de la coqueluche puisque B. parapertussis, autre bactérie responsable de la coqueluche, ne synthétise pas cette toxine. En effet, l’ensemble des gènes ptx et ptl est présent chez B. parapertussis et chez la plupart des isolats de B. bronchiseptica, mais chez ces deux espèces, les gènes ne sont pas exprimés en raison de mutations importantes dans la région promotrice. La signification biologique de l’expression différentielle de la PT parmi les Bordetelles n’est pas connue [1, 5].

La PT induit la synthèse d’anticorps après infection et vaccination. Elle est donc incluse dans tous les vaccins sous-unitaires après détoxification, soit chimique, soit génétique. Elle est également un excellent adjuvant dans de nombreux systèmes immunologiques, chez l’animal ou l’homme.

Un certain polymorphisme a été décrit et observé au niveau de cette sous-unité S1. Quatre allèles ont été caractérisés (ptxA1, ptxA2, ptxA4, ptxA5). Seul l’allèle ptxA5 peut entraîner une synthèse d’une PT de structure différente. Jusqu’à présent, seule la souche de référence OMS collectée en 1947 et un isolat collecté en 1993 à Paris expriment une PT de ce type. La majorité des isolats circulant actuellement dans le monde expriment une PT de type ptxA1 [11].

L’adényl cyclase-hémolysine ou AC-Hly

Toutes les espèces de Bordetelles infectant les mammifères sécrètent l’adényl cyclase-hémolysine. Cette toxine bifonctionnelle est synthétisée sous forme d’une protoxine monomérique de 1 706 acides aminés, produit du gène de structure cyaA. Le domaine catalytique de l’adényl cyclase se trouve dans la région N-terminale (environ 400 acides aminés) de la toxine. Le domaine C-terminal intervient lui dans l’injection de la partie catalytique dans le cytoplasme des cellules eucaryotes et possède une activité hémolytique vis-à-vis des hématies. L’homologie de la séquence protéique du domaine C-terminal avec entre autre l’hémolysine de E. coli permet de classer l’AC-Hly dans la famille des cytotoxines calcium-dépendantes connues sous le nom des toxines RTX (pour repeats in toxins). Ces toxines présentent des motifs répétés de type LXGGXG(N/D)DX, qui seraient impliqués dans la fixation du calcium, essentielle à l’expression de la toxicité de l’AC-Hly. Cette toxine est sécrétée sans subir de maturation protéolytique mais sa sécrétion nécessite l’action de trois autres protéines dont les gènes sont localisés (cyaB, cyaD et cyaE) immédiatement en aval du gène cyaA. L’AC-Hly doit aussi subir une modification post-traductionnelle nécessaire à son activation, assurée par le produit du gène cyaC, situé en amont de cyaA et transcrit dans le sens opposé à l’opéron cyaABDE. CyaC active la protoxine en catalysant le transfert d’un groupement palmitoyl sur les résidus internes des lysine 860 et 983 [13]. La majeure partie de l’AC-Hly sécrétée reste associée à la surface bactérienne, une faible proportion étant libérée dans le milieu extracellulaire. Il a récemment été suggéré que la FHA jouerait un rôle dans le maintien de l’AC-Hly à la surface de la cellule. Cependant, il a aussi été démontré que seule la toxine nouvellement synthétisée et fraîchement sécrétée, et non la molécule associée à la surface bactérienne, était capable de pénétrer la cellule hôte. Cette toxine peut pénétrer dans une grande variété de cellules eucaryotes, dans lesquelles elle est activée par la calmoduline pour ensuite catalyser la production supraphysiologique d’AMPc à partir d’ATP et ainsi perturber les fonctions cellulaires. L’AC-Hly se lierait avec haute affinité à l’intégrine αMβ2, CD11b/CD18 (aussi connu sous le nom de CR3), exprimée par les cellules myéloïdes comme les macrophages, les neutrophiles et les cellules dendritiques [13]. La liaison au calcium et l’acylation post-traductionnelle de la toxine seraient nécessaires pour une interaction productive entre l’AC-Hly et les cellules de l’hôte. La toxine induit également l’apoptose des cellules phagocytaires [14] et dendritiques. Elle inhibe aussi la phagocytose de B. pertussis par les neutrophiles humains. La toxine induit de plus la production de la cytokine pro-inflammatoire IL-6 par les cellules épithéliales humaines [15]. Il a été montré que l’activité adényl cyclase aurait un rôle critique dans les propriétés immunomodulatrices de la toxine, tandis que l’acylation post-traductionnelle interviendrait dans l’induction de l’apoptose des cellules de l’hôte [16].

L’AC-Hly induit la synthèse d’anticorps au cours de l’infection ou après vaccination. Cette toxine n’a jamais été incluse dans un vaccin coquelucheux sous-unitaire en raison de sa faible expression et de la difficulté à la purifier [1, 5].

Toxine dermonécrotique ou TDN

Initialement identifiée par erreur comme une endotoxine, la toxine dermonécrotique a été un des premiers facteurs de virulence décrits pour B. pertussis [17]. Cette toxine thermolabile cytoplasmique de 160 kDa fait partie de la famille des toxines de type A-B. La TDN est composée d’un domaine de liaison au récepteur en N-terminal (54 acides aminés) et d’un domaine enzymatique en C-terminal (300 acides aminés). Ce polypeptide induit des lésions nécrotiques localisées chez la souris ou d’autres animaux de laboratoire quand il est injecté en intradermique, et il est létal lorsqu’il est administré en faible dose en intraveineux. Non sécrétée par B. pertussis, la toxine joue un rôle non encore identifié dans la pathogenèse, sa localisation intracellulaire rendant son implication dans la virulence d’autant plus mystérieuse. De récentes études ont démontré que les effets de la TDN seraient dus à l’activation de la protéine GTPase Rho, qui entraînerait des altérations importantes du cytosquelette d’actine [1, 5]. Bien que son récepteur cellulaire ne soit pas encore identifié, la TDN serait internalisée via une endocytose dépendante de la dynamine, et subirait ensuite maturation protéolytique par des protéases de la cellule hôte comme la furine [18].

Lipopolysaccaride ou LPS

Comme la plupart des endotoxines des bactéries à Gram négatif, le lipopolysaccaride des espèces de Bordetelles est pyrogénique, mitogène, toxique et peut induire la production de TNF par les macrophages. Le LPS comprend habituellement le lipide A, l’oligosaccharide et un long polysaccharide appelé antigène O. La structure du LPS de B. pertussis est différente de celle des LPS exprimés par les autres Enterobacteriaceae, en ce sens qu’elle ne possède pas d’antigène O. B. pertussis exprime en fait deux types de LPS, A et B, qui différent par la présence d’un trisaccharide sur le LPS A [19]. Le locus wlb, composé de 12 gènes, est bien conservé parmi les Bordetelles et il est nécessaire à la biosynthèse et à l’assemblage du LPS [20]. Le locus wbm, adjacent au locus wlb chez B. bronchiseptica et B. parapertussis, est lui nécessaire à l’assemblage de l’antigène O. La délétion de ce locus chez B. bronchiseptica et B. parapertussis entraîne la perte de l’antigène O, éliminant la principale différence structurale entre leur LPS et celui de B. pertussis [21]. Bien que son rôle ne soit pas encore connu dans la pathogenèse, l’importance du LPS est toutefois suggérée par son grand polymorphisme observé chez B. bronchiseptica. Récemment, le gène pagP a été identifié, qui code une transférase de groupement palmitoyl du lipide A. Il intervient dans la modification du LPS de B. bronchiseptica [22]. Ce gène a également été retrouvé dans le génome de B. pertussis, mais il n’est pas exprimé en raison d’une interruption de la région promotrice par une séquence d’insertion. Ces différences pourraient contribuer à la spécificité d’hôte ou à la nature même de l’infection.

Toute l’analyse, à la fois des propriétés des adhésines et des toxines exprimées par B. pertussis et de leur fonction au cours de la pathogenèse bactérienne, ne peut mettre qu’en exergue leur synergie d’action. En effet, le domaine B de la toxine de pertussis et les protéines fimbriales, en se liant aux leucocytes, activeraient l’intégrine CR3 sur laquelle se fixerait l’hémagglutinine filamenteuse. L’hémagglutinine filamenteuse, quant à elle, ne pourrait être une adhésine efficace sans interagir avec la pertactine et l’adényl cyclase-hémolysine et ne pourrait être délivrée dans les cellules de l’hôte sans l’adhésion de l’hémagglutinine filamenteuse sur ces cellules. La toxine de Pertussis agirait de concert avec l’adényl cyclase-hémolysine pour déclencher la réaction inflammatoire pendant que la toxine cytotrachéale détruirait les cellules trachéales ciliées. L’hémagglutinine filamenteuse et l’adényl cyclase-hémolysine coopèrent pour inactiver les défenses des neutrophiles. De plus, ces facteurs de virulence reconnaissent, pour la plupart d’entre eux, des récepteurs sur les cellules de l’hôte par homologie avec des protéines de l’hôte comme par exemple la fibronectine pour les FHA, PRN, TCF, BRK ou les sélectines pour la PT.

L’expression de l’ensemble de ces facteurs de virulence est régulée de manière coordonnée en fonction des conditions de l’environnement, sous contrôle d’un système de régulation transcritpionnelle à deux composants, appelé bvgA/S pour Bordetella virulence gene activator and sensor. Ce système utilise un mécanisme de signalisation intracellulaire basé sur une succession de phosphotransferts en quatre étapes. BvgS est la protéine transmembranaire capable de percevoir les modifications environnementales. BvgA est le transactivateur transcritpionnel, qui une fois phosphorylé, augmente son affinité pour les séquences cibles au niveau des promoteurs des gènes codant les différents facteurs de virulence. Le signal s’amplifie grâce à une autoactivation de la transcription du locus bvgA/S par BvgA lui-même. Bien que les signaux environnementaux in vivo ne soient pas encore connus, il est cependant identifié qu’in vitro les gènes de virulence ne sont pas exprimés dans des conditions de basse température ou en présence d’ions sulfate ou d’acide nicotinique. Dans une étude récente, grâce à l’utilisation de puces à ADN, il a été mis en évidence de nouveaux gènes régulés par ce système, un continuum de gènes modulés ainsi que des gènes différemment régulés selon le modulateur in vitro utilisé [23]. Grâce aux mêmes outils moléculaires, une seconde étude vient également de confirmer la variation importante des profils d’expression génétique parmi les isolats de B. pertussis [24]. Ainsi, les Bordetelles font-elles varier l’expression de leurs toxines et adhésines au cours de l’infection, afin de permettre un échappement à la réponse immune de l’hôte ? Quelle est la signification pour l’évolution de B. pertussis, et sa spécificité d’hôte ?

Les approches génomiques et post-génomiques dans l’étude de la virulence de B. pertussis apporteront sûrement encore dans l’avenir de nombreuses réponses aux interrogations posées par ce pathogène centenaire. Nous commençons seulement à entrevoir une pathogenèse globale et intégrée, bien plus complexe que supposée initialement. Les nombreux facteurs de virulence ne cessent d’être étudiés et leur rôle dans la maladie de mieux en mieux élucidé. L’analyse très récente du génome de B. pertussis a de plus mis en évidence de nouveaux probables facteurs de virulence dont il reste tout à découvrir.

Références

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24 Cummings CA, Boostma HJ, Relman DA, Miller JF. Species- and Strain-Specific Control of a Complex, Flexible Regulon by Bordetella BvgAS. J Bacteriol 2006 ; 188(5) : 1775-85.


 

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