Des chercheurs découvrent comment le microbiote humain résiste à Vibrio choleræ

Alors que les principaux facteurs de virulence de Vibrio choleræ, la cause du choléra, ont été largement étudiés, la colonisation intestinale initiale de la bactérie n'est pas bien comprise car les animaux adultes non humains sont réfractaires à sa colonisation. Des études récentes suggèrent l'implication d'un dispositif de destruction interbactérien connu sous le nom de système de sécrétion de type VI (T6SS). Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'EPFL ont testé l'interaction dépendante du T6SS de Vibrio choleræ avec une sélection d'isolats commensaux de l'intestin humain. Ils montrent que l'agent pathogène a efficacement épuisé les genres représentatifs des protéobactéries in vitro, tandis que les membres du complexe Enterobacter cloacae et plusieurs espèces de Klebsiella sont restés inchangés. Ils démontrent que cette résistance contre les agressions T6SS était médiée par la production de machines T6SS supérieures ou par une barrière exercée par les capsules du groupe I. Leurs données fournissent de nouvelles informations sur la résistance au T6SS indépendante des protéines immunitaires employée par le microbiote humain et la résistance à la colonisation de la bactérie du choléra Vibrio choleræ ou d’autres agents pathogènes.

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Le choléra est une maladie diarrhéique aiguë qui reste encore un fléau. On recense sept grandes pandémies de choléra au cours des deux cents dernières années. Selon l’OMS, le choléra tue encore jusqu’à 143 000 personnes chaque année et en infecte jusqu’à 4 millions, principalement dans les pays pauvres ou sous-développés. Le choléra est causé par la bactérie Vibrio cholerae, un agent pathogène d’origine hydrique qui infecte l’intestin humain après l’ingestion d’une eau contaminée. Vibrio cholerae commence alors à coloniser la surface interne de l’intestin et libère une toxine sur les cellules épithéliales. Cette toxine perturbe l’équilibre ionique des parois de l’intestin, provoquant l’excrétion d’une diarrhée aqueuse. Dans les cas graves, le choléra peut entraîner la mort en raison d’une déshydratation sévère. Et les manifestations du V. cholerae ne s’arrêtent pas là.

En 2015, des chercheurs dirigés par le professeur Melanie Blokesch de l’EPFL ont publié un article fondamental montrant que la bactérie utilise une lance à ressort pour perforer les bactéries environnantes et subtiliser leur ADN alors qu’elle se développe dans son environnement. Cette lance moléculaire appelée «système de sécrétion de type VI» ou T6SS a auparavant été décrite comme favorisant la concurrence interbactérienne. «L’eau contaminée dans les régions du monde où le choléra est endémique contiendrait la bactérie V. cholerae avec le T6SS actif et prêt à la concurrence», explique alors Melanie Blokesch. En efftet, selon de précédentes études, les agents pathogènes intestinaux doivent interagir avec les bactéries du microbiome intestinal pour s’établir dans cet environnement. Pour cela, ils utilisent diverses stratégies, allant de la concurrence pour les nutriments à la lutte bactérienne totale. Plusieurs études ont révélé que les agents pathogènes intestinaux utilisent leur lance T6SS pour nettoyer la niche intestinale et favoriser leur propre installation.

Pour le cas de V. choleræ, de nombreuses études ont montré que la résistance à la colonisation par cette bactérie et d’autres bactéries infectieuses dépend en grande partie des microbes dits «commensaux» présents dans l’intestin. Parallèlement, l’interaction de V. choleræ avec le microbiome intestinal est un phénomène difficile à étudier. En fait, en temps normal, les scientifiques développeraient un modèle animal adulte standardisé, pour le faire. Mais V. cholerae est connue pour coloniser relativement mal les animaux adultes par rapport aux êtres humains. Les chercheurs doivent donc recourir à de jeunes animaux, mais ceux-ci ne disposent pas du microbiome mature avec lequel la bactérie V. cholerae interagit dès qu’elle commence à coloniser l’intestin. Les microbes commensaux, et en particulier ceux de l’intestin humain, n’ont donc pas beaucoup été étudiés en termes d’interaction avec V. cholerae.

Les études antérieures

Dans l’une des premières études sur les microbes intestinaux, Metchnikoff a suggéré que les animaux de laboratoire adultes étaient réfractaires à la maladie du choléra en raison de la présence de leurs bactéries intestinales. En conséquence, les chercheurs ont développé des modèles d’animaux infantiles (souris et lapins) pour étudier le potentiel de virulence de l’agent pathogène, les animaux infantiles n’ayant pas de microbiote mature. Il est connu que le choléra progresse d’abord par l’auto-agrégation et la formation de microcolonies induites par la toxine corégulée (TCP) dans l’intestin, suivies de la sécrétion de toxine cholérique qui induit une diarrhée abondante. Bien qu’utiles pour les études de pathogenèse, les modèles d’animaux infantiles ne subissent pas la première étape de la colonisation intestinale, qui consiste en l’interaction de V. choleræ ingéré avec le microbiote mature. Étant donné que de nombreuses études ont également montré que les microbes commensaux sont essentiels pour fournir une résistance à la colonisation contre les bactéries entrantes  et jouent finalement un rôle dans la protection des humains contre les agents pathogènes, il est important d’étudier l’interaction de V. choleræ avec le microbiote humain pour mieux imiter le réel- conditions mondiales d’infection.

Les pathogènes intestinaux peuvent interagir directement avec le microbiote intestinal en utilisant des stratégies allant de la compétition nutritionnelle à la guerre interbactérienne, cette dernière englobant la production de molécules inhibitrices ou de systèmes d’inhibition/de destruction dépendants du contact. Un exemple de dispositif de mise à mort dépendant du contact est le système de sécrétion de type VI (T6SS), qui a été décrit pour la première fois par Pukatzki et ses collègues en 2006. La présence de T6SS est répandue,  car elle est codée par 25 % de toutes les bactéries Gram-négatives séquencées, et plus de 50% des génomes ß- et γ-protéobactériens abritent un tel système .

Le T6SS peut être comparé à une queue de phage contractile inversée ancrée à l’enveloppe cellulaire par un complexe membranaire. Une structure en forme de plaque de base attachée à un complexe membranaire permet la polymérisation d’un tube interne constitué d’anneaux de protéines Hcp, qui est enveloppé dans une gaine contractile. Lorsque la gaine T6SS se contracte, le tube interne, la ou les protéines de pointe et un cocktail de toxines principalement associées à la pointe sont propulsés dans les cellules voisines, provoquant une inhibition de la croissance ou la mort. Le T6SS est donc une nanomachine bien adaptée pour piloter la compétition interbactérienne dans l’intestin, car (i) la densité bactérienne élevée dans cette niche favorise le contact direct entre les microbes, et (ii) la dépendance au contact du T6SS limite les dommages collatéraux sur les bactéries non voisines.

Il existe des preuves que le T6SS est important pour la colonisation, car certains agents pathogènes intestinaux, tels que Salmonella enterica sérotype Typhimurium, Shigella sonnei et V. cholerae, sont censés utiliser leur T6SS pour éliminer le microbiote résident et ainsi favoriser leur propre colonisation. Par exemple, en utilisant le modèle de choléra de souris infantile, une étude récente a montré que V. cholerae supplantait Escherichia coli commensal de souris artificiellement pré-introduit d’une manière dépendante du T6SS. Les V. choleræ déficients en T6SS étaient donc moins abondants après l’infection par rapport à leur souche parentale positive en T6SS. Ce défaut de colonisation n’a pas été observé lorsque des souches défectueuses en WT et en T6SS ont été co-administrées, ce qui suggère un impact global sur la compensation de niche dans les conditions testées.

Étant donné que le T6SS est un dispositif de destruction efficace, des mécanismes doivent exister pour protéger les bactéries T6SS-positives et leurs frères et sœurs contre l'(auto)intoxication. Les bactéries T6SS-positives produisent donc des protéines immunitaires qui interagissent directement avec les protéines effectrices apparentées et inhibent leur activité toxique. Cependant, des études récentes ont également identifié des mécanismes de protection indépendants des protéines immunitaires. Par exemple, le peptidoglycane édité d’Acinetobacter baumannii offre une protection contre les agressions T6SS. L’exopolysaccharide sécrété (EPS), qui est un composant principal des matrices de biofilms bactériens, s’est également avéré conférer une protection partielle contre les attaques T6SS externes, en particulier chez les V. choleræ à détection de quorum et donc surproducteurs d’EPS.

De plus, Hersch et ses collègues ont récemment démontré que l’intoxication au T6SS peut activer les voies de réponse au stress de l’enveloppe protectrice (ESR) telles que le système de «jauge d’intégrité de la paroi» (WigKR) chez V. choleræ ou le système «régulateur de la synthèse des capsules» (Rcs) chez E .coli K-12. Notamment, malgré son nom, le système Rcs ne déclenche pas la production d’une capsule attachée à la membrane chez E. coli K-12, car la bactérie est dépourvue entre autres du gène codant pour la protéine d’attache de la membrane externe Wzi. En conséquence, le polysaccharide synthétisé (acide colanique) est sécrété dans le milieu extracellulaire et forme une structure semblable à un biofilm appelée boue. Par conséquent, le rôle, le cas échéant, des capsules attachées à la membrane de bonne foi dans la défense T6SS n’a pas encore été étudié.

La question de recherche

Comme décrit ci-haut, des études antérieures ont suggéré que le T6SS contribuait à l’occupation de niche par des agents pathogènes intestinaux tels que S. enterica sérotype Typhimurium, S. sonnei et V. cholerae. Dans ces études, la compétition interbactérienne médiée par le T6SS de ces agents pathogènes a été principalement testée in vitro en utilisant des souches de laboratoire bien caractérisées comme proies (telles que E. coli MG1655 ou DH5α) ou des isolats bactériens dérivés de souris tels que E. coli (par exemple, JB2 et WZ1-1 & WZ2-1), E. cloacae KL1, K. oxytoca TS1 ou K. variicola KL11 (les trois dernières souches ont été classées en espèces sur la base du séquençage de l’ADNr 16S). De plus, ces études ont testé l’impact des agents pathogènes T6SS-positifs chez les nourrissons ou les souris prétraitées aux antibiotiques qui avaient été pré-colonisées avec ces souches. Bien que très informatifs, ces travaux antérieurs n’ont pas étudié les isolats commensaux humains.

Les auteurs de la nouvelle publication se sont donc demandé comment V. cholerae interagirait avec les membres du microbiote humain et ont envisagé deux hypothèses : (1) V. cholerae est capable de concurrencer les commensaux intestinaux humains, étant donné qu’il peut infecter les êtres humains ; et (2) les commensaux intestinaux humains protègent au moins partiellement contre la clairance de niche médiée par le T6SS par V. cholerae, ce qui serait conforme à la dose infectieuse élevée qui a été déterminée dans des études sur des volontaires humains en bonne santé.

L’étude et ses résultats

Dans leur article publié dans Nature Communications, les scientifiques rapportent avoir examiné une petite collection de bactéries commensales provenant de volontaires humains. Celles-ci comprenaient plusieurs espèces bactériennes comme Escherichia coli, Enterobacter cloacae et divers isolats de Klebsiella. Ils ont constaté que, bien que plusieurs espèces de bactéries intestinales soient épuisées à la suite d’attaques de V. cholerae par le T6SS, un sous-ensemble important y résiste. Certaines espèces intestinales de Klebsiella se protègent contre les attaques du T6SS de V. cholerae grâce à une capsule de polysaccharide caractéristique des bactéries dites «encapsulées».

Le T6SS étant un système de neutralisation très efficace, les bactéries comme V. cholerae qui l’utilisent ont également des moyens de s’en protéger pour éviter l’auto-intoxication. Pour ce faire, les bactéries utilisant le T6SS produisent certaines protéines immunitaires, qui bloquent les effets toxiques du T6SS. Toutefois, l’étude a révélé que certains membres du microbiote humain se protègent des attaques du T6SS sans passer par la voie immunitaire-protéique. Cette protection s’est produite par une destruction médiée par T6SS supérieure exercée par les membres du complexe Enterobacter cloacae et par des armures moléculaires constituées de polysaccharides capsulaires attachés à la membrane de divers isolats de Klebsiella. Plus précisément, l’étude a révélé que E. cloacae, un agent pathogène opportuniste, se défend en tuant V. cholerae avec sa propre arme T6SS supérieure.

«Ces travaux nous apportent de nouvelles informations sur le comportement des communautés bactériennes au sein du microbiote intestinal et sur la manière dont la défense contre l’intoxication par le T6SS pourrait aider les populations bactériennes à se défendre contre les agents pathogènes envahissants», explique Melanie Blokesch. Elle souligne également que l’étude a été réalisée in vitro, ce qui signifie que des études supplémentaires sont nécessaires pour obtenir un aperçu plus complet. «Cela dit, nos travaux pourraient servir de point de départ à la conception rationnelle de souches probiotiques protégées par le T6SS, capables de restaurer les barrières de colonisation défectueuses ou d’en améliorer l’efficacité», concluent les auteurs. Cette étude contribue donc à une meilleure compréhension des différents mécanismes qui sous-tendent la compétition interbactérienne associée au T6SS et, par conséquent, le maintien de communautés bactériennes équilibrées.

Voir la publication

Flaugnatti, N., Isaac, S., Lemos Rocha, L.F. et al. Human commensal gut Proteobacteria withstand type VI secretion attacks through immunity protein-independent mechanisms. Nat Commun 12, 5751 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26041-0

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