Les facteurs de signal diffusibles (DSF) se lient et répriment VirF, le principal activateur de virulence de Shigella flexneri

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13170 (2023) Citer cet article

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Shigella, l'agent étiologique de la dysenterie bacillaire humaine, contrôle l'expression de ses déterminants de virulence grâce à une cascade d'activateurs transcriptionnels stimulée par l'environnement. VirF est le principal activateur et est essentiel à la bonne expression de la virulence. Dans ce travail, nous rapportons des expériences in vitro et in vivo montrant que deux autoinducteurs de la famille DSF, XcDSF et BDSF interagissent avec le module jelly roll de VirF provoquant son inhibition et affectant l'expression de l'ensemble du système de virulence de Shigella, y compris son capacité à envahir les cellules épithéliales. Nous proposons un modèle moléculaire expliquant comment la liaison de XcDSF et BDSF provoque l'inhibition de VirF en empêchant sa dimérisation. Dans l’ensemble, nos résultats expérimentaux suggèrent que XcDSF et BDSF pourraient contribuer à la « résistance à la colonisation » dans l’intestin humain ou, alternativement, pourraient être exploités pour affiner l’expression de la virulence de Shigella lorsque la bactérie migre de la lumière pour s’approcher de la muqueuse intestinale. Nos résultats soulignent également comment une compréhension détaillée de l'interaction des ligands du DSF avec VirF peut contribuer au développement rationnel de médicaments antivirulence innovants pour traiter la shigellose.

Shigella est une bactérie entéropathogène à Gram négatif responsable de la shigellose, une maladie qui touche environ 125 millions de personnes chaque année dans le monde, avec une issue fatale dans environ 164 000 cas1,2. Pour infecter la muqueuse intestinale humaine, Shigella exploite un système de sécrétion spécifique de type III (T3SS) pour favoriser l'invasion bactérienne en injectant une série de facteurs dans le cytoplasme de la cellule hôte3. Les gènes codant pour le composant protéique de ce T3SS, les facteurs impliqués dans son assemblage et les effecteurs injectables sont regroupés dans une région de type grand îlot de pathogénicité (PAI) au sein du plasmide de virulence de Shigella (pINV)4. L'expression des gènes T3SS est contrôlée par une cascade de régulation déclenchée par le régulateur transcriptionnel AraC-XylS VirF, qui se situe au sommet de la cascade5,6. La protéine VirF favorise la transcription de deux gènes essentiels à la virulence de Shigella, icsA et virB. La protéine IcsA est impliquée dans la motilité bactérienne intracellulaire7,8 et la protéine VirB, agissant comme deuxième régulateur positif du système de virulence, est responsable de l'expression des niveaux sous-jacents de la cascade régulatrice de Shigella9,10. Il convient de noter que les gènes virF, virB et icsA sont des gènes plasmidiques pINV situés en dehors de la région de type PAI. VirF est régulé au niveau transcriptionnel par plusieurs stimuli environnementaux, tels que la température, le pH et l'osmolarité, et au niveau post-transcriptionnel par MiaA10. Très récemment, nous avons montré que l’activité de VirF est également directement contrôlée par les acides gras (AF)11. En particulier, les acides gras tels que les acides laurique, caprique, myristoléique, palmitoléique et sapienique se lient à VirF et inactivent son activité favorisant la transcription, probablement en faisant passer la structure protéique d'un état libre et fonctionnel (« ouvert ») à un état lié à l'AF. , forme non fonctionnelle (« fermée »). Un mécanisme similaire impliquant les AF a été proposé précédemment pour d'autres régulateurs de virulence, comme ToxT de V. cholerae, Rns d'E. coli entérotoxigène (ETEC) et HilD de Salmonella enterica12,13,14. Récemment, l'acide cis-2-hexadécénoïque a été inclus parmi les ligands qui se lient et inhibent HilD, influençant ainsi l'expression du gène de virulence de S. enterica14,15. Ce composé appartient à une classe rare d’AF, synthétisés par des bactéries Gram-négatives, appelés « Facteurs de signal diffusibles » (DSF). Les DSF comprennent des FA avec différentes longueurs de chaîne et modèles de ramification avec une liaison cis insaturée en position 2, à l'exception de l'acide 13-méthyltétradécanoïque (LeDSF). En outre, il a été démontré que les DSF servent de molécules de signalisation dans les systèmes de détection du quorum bactérien (QS)16,17 et régulent diverses fonctions chez un large éventail de bactéries, y compris les agents pathogènes végétaux et animaux17,18. Un prototype de molécule DSF est l’acide cis-11-méthyl-2-dodécénoïque (XcDSF) produit par la bactérie phytopathogène Xanthomonas campestris17,19. D'autres membres majeurs de la famille DSF, précédemment caractérisés, comprennent l'acide cis-2-décénoïque (PDSF) ; acide cis-2-dodécénoïque (BDSF); acide cis, cis-11-méthyldodeca-2, 5-diénoïque (CDSF); acide cis-10-méthyl-2-dodécénoïque (IDSF); acide cis-2-tétradécénoïque (XfDSF1); et acide cis-2-hexadécénoïque (XfDSF2). Les bactéries synthétisant les DSF font partie d'une liste constamment mise à jour et sont caractérisées par la présence du gène rpfF (ou d'un homologue de celui-ci), crucial pour la synthèse du DSF17,20. À ce jour, la liste des producteurs de DFS comprend Xanthomonas spp., Xylella fastidiosa, Pseudomonas aeruginosa, Stenotrophomonas maltophilia, Lysobacter enzymogenes et brunescens, Leptospirillum ferrooxidans, Burkholderia cenocepacia et Cronobacter turicensis17. Les bactéries appartenant aux genres Frateuria, Luteobacter, Pseudoxhantomonas et Rhodanobacter peuvent également être incluses sur la base d'une prédiction in silico17. Le locus génétique responsable à la fois de la production de DSF et de leur reconnaissance en tant que signal de détection de quorum a été caractérisé pour la première fois chez X. campestris et comprend quatre gènes, rpfC, rpfG, rpfB et rpfF18,21,22. RpfC et RpfG forment un système à deux composants, tandis que RpfB est une ligase pour les molécules acyl-CoA à longue chaîne. RpfF est une enzyme de la superfamille des crotonases (activités énoyl-CoA déshydratase et thioestérase) et agit sur une protéine transporteuse d'acyle (acyl-ACP), intermédiaire de la synthèse des acides gras, pour synthétiser le XcDSF. Lorsque la population bactérienne atteint une densité critique, XcDSF interagit avec le capteur RpfC induisant la phosphorylation de la protéine régulatrice de réponse RpfG. En raison de son activité hydrolytique, le RpfG phosphorylé convertit le deuxième messager bis-(3'-5')-cyclique GMP (c-di-GMP) en GMP. Une diminution du c-di-GMP intracellulaire conduit à la dérégulation des gènes cibles18. Chez Burkholderia cenocepacia, la biosynthèse des molécules DSF (BDSF) dépend entièrement de RpfFBc, une enzyme bifonctionnelle possédant une activité énoyl-CoA hydratase et thioestérase. Cette enzyme présente une identité de séquence significative avec la protéine RpfF de X. campestris. Malgré la grande similitude entre XcDSF et BDSF dans la voie de biosynthèse et la structure chimique, le mécanisme par lequel B. cenocepacia détecte le BDSF diffère de celui caractérisé chez X. campestris car il implique un récepteur cytoplasmique, la protéine RpfR. Cette enzyme présente une activité cyclique de di-GMP phosphodiestérase une fois liée au BDSF, provoquant ainsi une diminution du c-di-AMP cytoplasmique23. Il est intéressant de noter que ce mécanisme de reconnaissance et de régulation ressemble beaucoup à l’interaction entre HilD et l’acide cis-2-hexadécénoïque, qui provoque la suppression de la virulence de S. enterica. Compte tenu de la forte similarité structurelle entre XcDSF, BDSF et l'acide laurique (Fig. S1), un inhibiteur de l'activité VirF précédemment caractérisé , nous avons demandé si XcDSF et BDSF pouvaient inhiber la virulence de Shigella en empêchant l'activité favorisant la transcription de la protéine VirF. Dans la présente étude nous montrons, par des expériences in silico, in vitro et in vivo, que XcDSF et BDSF interagissent directement avec VirF, conduisant à une diminution significative de la transcription de virB, entravant ainsi l'expression de l'ensemble du système de virulence de Shigella et provoquant une phénotype défectueux caractérisé par une invasion insuffisante des cellules hôtes et par une prolifération retardée en leur sein.