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kchange de signaux entre E coli en&o- pathogkes et cellules 6pith6liales de l’h6te llan Rosenshine La plupart des souches de E co2i sont non pathogenes et sont presentes dans la flore intestinale normale. D’autres souches sont pathogenes et peuvent causer des infections de la vessie, des meningites ou des diarrhees. Les sympt8mes causes par ces souches vont du type diarrhee chokiforme, jusqu’a la colite extr6me. Chaque classe de E coli diarrhegenique possede un groupe distinct de facteurs de virulence, incluant des adhesines et des invasines specifiques et/au des toxines, qui sont responsables d’un type specifique de diarrhee. DBparlements de gMtique mol&.xlaire et de biotechnologie, universit6 hbbrai’que, Facuk de mhdecine, POB 12272, JBrusalem 9112, Israll. L es EPEC ont ete les premieres Escherichiue a @tre identifiees en tant qu’agents causant la diarrhee [51. Elles ont ete definies ulterieurement comme des E coli appartenant epidemiologiquement a des serogroupes pathogenes, mais dont le mkcanisme de viru- lence n’est pas lie a l’excretion d’en- terotoxines typiques de E coli. Les EPEC causent une diarrhee aqueuse persistante, qui peut con- duire a la deshydratation, voire a la mort. Vomissements et fievre ac- compagnent generalement la perte de fluide. Les EPEC sont la cause mondiale predominante des diar- rhees infantiles. Dans les pays de- veloppes, il s’agit de cas sporadi- ques de diarrhee dans les creches et les garderies [321. En revanche, les EPEC constituent une menace endemique majeure pour les en- fants de moins de 6 mois dans les pays en voie de developpement. Dans cespays, la diarrhee neonatale due aux EPEC est encore la cause dune mortalite elevee [25,381. La morphologie des cellules infectkes par EPEC Les EPEC ont deux formes d’atta- chement a la cellule hate. La pre- miere a ete nommee (<liaison ini- tiale H (initial binding) et est produite par l’intermediaire de pili qui for- ment des faisceaux (bundle forming pili, BFJ?). Les BFP causent egale- ment l’agregation des EPEC et la formation de microcolonies a la sur- face de la cellule h&e [7, 161. Les batteries qui se sont attachees par l’intermediaire des BFP se trouvent a une distance de 100 a 300 nm de la membrane de la cellule h&e. La se- conde forme d’attachement est la ANNALES DE L’INSTITUT PASTEUR / actualit& (1997) 8,2,157-161 0 Elsevier, Paris <<liaison intime j) (intimate at- tachment) produite par l’interme- diaire d’une proteine de la mem- brane externe des EPEC, l’intimine [211. La distance entre la membrane externe des EPEC et la membrane de la cellule h8te n’est plus que d’environ 10 nm. Un autre aspect morphologique distinctif de l’infection lpar les EPEC est la formation de lesions (A/E : attachement et effacement) des cellules epitheliales infectees [301. La formation de ceslesions est associee & une destruction locale des microvilli de la bordure en brosse et a l’assemblage de structu- res hautement organisees du cytos- quelette, sur les cellules epitheliales a l’endroit oti les batteries sont inti- mement attachees 1241. Ces structu- res, initialement planes, evoluent en longues tiges riches en actine, qui s’etendent jusqu’a 10 nm au-dessus de la surface cellulaire et forment des piedestals sur lesquels reposent les cellules EPEC [35, :36]. Ces pie- destals peuvent devenir plus longs ou plus courts, tout en restant fixes sur place, sur la surface cellulaire. Ces tiges d’actine peuvent egale- ment faire se mouvoir le long de la surface cellulaire les EE’EC extracel- lulaires attachees, a une vitesse pouvant atteindre 0,07 mm/s [361. Apres une infection prolong&z, les cellules h&e s’arrondissent, sedeta- chent et meurent 131. Plusieurs autres pathogenes, tels que les EHEC, Hafiiu alvei, REDC-1 (un EPEC specifique du lapin) et Citrobacter rodantium ca.usentdes le- sions du type A/E, de morphologie semblable a celles provoquees par les EPEC [9]. De plus, tous ces pa- thogenes possedent le fragment 157

Échange de signaux entre E coli entéropathogènes et cellules épithéliales de l'hôte

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Page 1: Échange de signaux entre E coli entéropathogènes et cellules épithéliales de l'hôte

kchange de signaux entre E coli en&o- pathogkes et cellules 6pith6liales de l’h6te

llan Rosenshine

La plupart des souches de E co2i sont non pathogenes et sont presentes dans la flore intestinale normale. D’autres souches sont pathogenes et peuvent causer des infections de la vessie, des meningites ou des diarrhees. Les sympt8mes causes par ces souches vont du type diarrhee chokiforme, jusqu’a la colite extr6me. Chaque classe de E coli diarrhegenique possede un groupe distinct de facteurs de virulence, incluant des adhesines et des invasines specifiques et/au des toxines, qui sont responsables d’un type specifique de diarrhee.

DBparlements de gMtique mol&.xlaire et de biotechnologie, universit6 hbbrai’que, Facuk de mhdecine, POB 12272, JBrusalem 9112, Israll.

L es EPEC ont ete les premieres Escherichiue a @tre identifiees en tant qu’agents causant la

diarrhee [51. Elles ont ete definies ulterieurement comme des E coli appartenant epidemiologiquement a des serogroupes pathogenes, mais dont le mkcanisme de viru- lence n’est pas lie a l’excretion d’en- terotoxines typiques de E coli. Les EPEC causent une diarrhee aqueuse persistante, qui peut con- duire a la deshydratation, voire a la mort. Vomissements et fievre ac- compagnent generalement la perte de fluide. Les EPEC sont la cause mondiale predominante des diar- rhees infantiles. Dans les pays de- veloppes, il s’agit de cas sporadi- ques de diarrhee dans les creches et les garderies [321. En revanche, les EPEC constituent une menace endemique majeure pour les en- fants de moins de 6 mois dans les pays en voie de developpement. Dans ces pays, la diarrhee neonatale due aux EPEC est encore la cause dune mortalite elevee [25,381.

La morphologie des cellules infectkes par EPEC Les EPEC ont deux formes d’atta- chement a la cellule hate. La pre- miere a ete nommee (< liaison ini- tiale H (initial binding) et est produite par l’intermediaire de pili qui for- ment des faisceaux (bundle forming pili, BFJ?). Les BFP causent egale- ment l’agregation des EPEC et la formation de microcolonies a la sur- face de la cellule h&e [7, 161. Les batteries qui se sont attachees par l’intermediaire des BFP se trouvent a une distance de 100 a 300 nm de la membrane de la cellule h&e. La se- conde forme d’attachement est la

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<< liaison intime j) (intimate at- tachment) produite par l’interme- diaire d’une proteine de la mem- brane externe des EPEC, l’intimine [211. La distance entre la membrane externe des EPEC et la membrane de la cellule h8te n’est plus que d’environ 10 nm. Un autre aspect morphologique distinctif de l’infection lpar les EPEC est la formation de lesions (A/E : attachement et effacement) des cellules epitheliales infectees [301. La formation de ces lesions est associee & une destruction locale des microvilli de la bordure en brosse et a l’assemblage de structu- res hautement organisees du cytos- quelette, sur les cellules epitheliales a l’endroit oti les batteries sont inti- mement attachees 1241. Ces structu- res, initialement planes, evoluent en longues tiges riches en actine, qui s’etendent jusqu’a 10 nm au-dessus de la surface cellulaire et forment des piedestals sur lesquels reposent les cellules EPEC [35, :36]. Ces pie- destals peuvent devenir plus longs ou plus courts, tout en restant fixes sur place, sur la surface cellulaire. Ces tiges d’actine peuvent egale- ment faire se mouvoir le long de la surface cellulaire les EE’EC extracel- lulaires attachees, a une vitesse pouvant atteindre 0,07 mm/s [361. Apres une infection prolong&z, les cellules h&e s’arrondissent, se deta- chent et meurent 131. Plusieurs autres pathogenes, tels que les EHEC, Hafiiu alvei, REDC-1 (un EPEC specifique du lapin) et Citrobacter rodantium ca.usent des le- sions du type A/E, de morphologie semblable a celles provoquees par les EPEC [9]. De plus, tous ces pa- thogenes possedent le fragment

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chromosomique unique de 35 Kbp qui, chez les EPEC, contient tous les

quement lies et pourraient repre- senter des manifestations morpho-

genes necessaires a la formation de logiques differentes de processus ces lesions 1281. biochimiques voisins 1331. Helicobncfer pylori, agent causal des gastrites, des ulceres gastriques et du cancer de l’estomac, cause egale- ment des lesions t&s semblables a celles induites par les EPEC [37]. Cependant, on ignore encore si Hpylori utilise la meme strategic pour induire la formation de ces le- sions A/E. Environ 1% des EF’EC attaches enva- hissent les cell&s epith&ales infect&s 1331. Comme l’attachement des EPEC est tr+s efficace, le taux d’invasion est eleve, comparable 21 celui des Salmonel- lu ou a Yinvasion m&See par Yinvasine de certaines souches de Yersinia. On observe generalement les EPEC intracellulaires dans un reseau de grandes vacuoles, en contact intime avec la membrane qui les entoure, ne croissant pas ou croissant tres lentement. Les EPEC peuvent pen& trer dans des monocouches polari- sees de lignees epitheliales en les envahissant par le pole apical et en ressortant par le c&e basolaMral[61. L’invasion et l’induction des lesions A/E sont des phenotypes geneti-

L’architecture moltkulaire des pibdestals induits par les EPEC

Les piedestals induits par les EPEC sont composes de filaments d’ac- tine et de plusieurs proteines se liant a l’actine. Differents compo- sants ont ete decrits : la base du pie- destal est riche en myosine et en tropomyosine 127, 361, tandis que les filaments d’actine, la villine et l’a-actinine sont distribues unifor- mement dans les piedestals [12,24, 361. Une bande mince au sommet de la structure est riche en proteines tyrosine-phosphorylees, dont la proteine Hp90, associee a la mem- brane. Le domaine extracellulaire de Hp90 interagit directement avec l’adhesine des EPEC, l’intimine 1351, alors que le domaine intracel- lulaire de Hp90 est associe aux fila- ments d’actine (figure 1). Ainsi, Hp90 tyrosine-phosphorylee pour- rait fournir un lien physique entre les EPEC extracellulaires et les fila- ments d’actine du cytoplasme de la

cellule h&e. On a egalement rap- Porte des concentrations elevees d’ezrine, de plastine et de taline dans les piedestalsIl21, sans que la distribution de ces proteines dans les piedestals ait 6th examinee.

Transduction de signal induite par les EPEC dans Ies cellules infectkes

Afin d’induire la formation des le- sions A/E et d’envahdr les cellules, les EPEC doivent communiquer avec des composants internes de la cellule h&e. En fait, plusieurs si- gnaux ont ete detect& a l’interieur des cellules infectees par les EPEC. Ce sont : i) la tyrosine-phosphoryla- tion de plusieurs proteines de l’hote, surtout celle de Hp90, la pro- teine de 90 kDa associee a la mem- brane (Hp90) [33] ; ii) la generation d’un flux d’inositol phosphates (IP), comprenant les inositol mono-, di- et triphosphate (IP3) [13] ; iii) une augmentation de la concentra- tion de Ca2+ intracellulaire [4] ; IV) une serine-threonine phosphoryla- tion de plusieurs proteines, dont la chame leg&e de la myosine (LCM) [27]. Les etudes men&s par divers

A B EPEC

F@ure 1. Modele d’inieracbon entre les EFEC et la cellule b&e epitheliale. Les EPEC s&relent des Esps et sont responsables de la translocation dEspB, etpeut-etre d’autres Esps dans le cytoplasme de Mote (A). Cela active une yrosine kinase (?Pw de l’hote qui phosphovle Hp90. HP90 possede un site de liaion a fintrmrne. Le compexe rntrmrne-HP90 amorce une cascade ois transductton de srgnaux qui comprend Iactivation de la phospho@ase C ; elle engendre des flux o’lP et de C& et l’activation de krnases C& -dependantes, y compns la LCMkinase. Ces evenements conduisenta l’attachement inime des EPECa la cellule Me et a la formation, sous les EPEC attaches, dune protrusion nkhe en actrne ayant la HP90 phosphorylee a son sommet et la myosrne et tropomyosrne a sa base (B).

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groupes ont conduit a proposer la cascade de signaux, repmsentee par la figure 1A durant l’infection par les EPEC. Le premier evenement semble @tre la tyrosine phosphorylation de Hp90. A son tour, cet evenement active la phospholipase C et g&&e le flux d’Il? L’accroissement de la concentration d’IP3 provoque la li- beration d’ions Ca2+ provenant des reserves intracellulaires qui condui- sent a l’activation de kinases depen- dant du Ca2+ y compris de la LCM kinase qui phosphoryle la LCM. Outre ces signaux, l’ouverture de canaux membranaires non identi- fies dans les cellules infectees a ete rapportee [6,41]. Le role et la signi- fication de l’ouverture de ces ca- naux dans la formation des lesions A/E ne sont pas clairs. Hp90 tyrosine phosphorylee sem- ble etre concentree au sommet du piedestal [351. Le sommet du pie- destal est egalement le site oti se produit probablement la polymeri- sation de l’actine [36]. 11 est ainsi possible que la proteine Hp90 tyro- sine phosphorylee soit etroitement et peut-&re directement impliquee dans l’induction de la polymerisa- tion de l’actine. Les flux d’IP et de Ca2+ intracellulaire, ainsi que l’acti- vation des kinases Ca2+ dependan- tes, peuvent egalement jouer un role dans l’assemblage de cette structure du cytosquelette. 11 est int&essant de constater que la formation de cette structure d’actine est insensible a la toxineToxB de CIostridium dificik et a la compactine (nos n&hats, non publies). Ces deux composes causent l’inactivation de petites proteines liant le GTP, telles que Cd&!, Rho et Rat. Ces trois der- nieres proteines sont impliquees dans l’assemblage de la plupart des autres structures d’actine des cell&s de mammiferes, contrairement a ce qui se passe dans la structure d’actine induite par les EPEC [31 I.

Composants des EPEC impliqutk dans la formation des l&ions A/E L’induction de la polymerisation de l’actine pour former les piedestals,

celle de la phosphorylation de Hp90 et de LCM, celle du flux de IF’ et l’invasion, evenements qui tous, concourent a la formation des I& sions A/E, sont des phenotypes ge- netiquement lies [8,14,18,33]. Tous les genes necessaires pour engen- drer ces phenotypes sont regroup& au locus d/effacement des enterocy- tes (LEE) 1281. Ce locus de 35 Kbp forme un element genetique prob- ablement acquis par les EPEC par transfert genetique horizontal. LEE forme un ilot de pathogenicite inse- re dans le gene sel[28]. Des souches de laboratoire de E coli transfor- mees a l’aide d’un cosmide conte- nant l’element LEE complet, indui- sent l’induction de la polymerisa- tion de l’actine, la phosphorylation de Hp90, la formation de piedestals et celle de lesions A/E identiques a celles induites par les EPEC [29]. Plusieurs classes de genes LEE ont ete d&rites. Le premier groupe comprend au moins neuf genes co- dant pour des composants de l’ap- pareil de secretion des proteines EPEC (les genes sep, dont certains etaient connus sous le nom de genes cfm> 191. Ces genes cadent pour des composants du systeme de s&r& tion du type III [20]. Les proteines s&r&es par ce systeme sont co- dees par les genes esp (EPEC secreted proteins). Au moins trois genes esp ont ete decrits, espA, espB, espD [9, 11,231. Des resultats r&cents de notre labo- ratoire indiquent que l’expression et la secretion d’EspB sont forte- ment induites au contact de la cel- lule h&e, par un mecanisme mole- culaire qui reste a definir. En utili- sant le gene rapporteur adenylate cyclase (AC) [401, nous avons de- montre que les EPEC peuvent effec- tuer la tranlocation de la fusion EspB-AC dans la cellule h&e. Des EPEC mutes dans sepA, sepB et dans d’autres genes sep sont incapables de secreter EspA, EspB, EspD, ou d’effectuer la translocation EspB- AC ([14,23], nos resultats, non pu- blies). Ces mutants esp ou sep sont incapables d’induire la transduc- tion de signaux dans la cellule hbte (ie, la phosphorylation de Hp90 et

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de LCM et l’induction de flux de IP 113, 18,331. Par consequent, ces mutants ne pro- voquent pas de lesions A/E et ne sont pas invasifs. Les signaux de- pendent du contact des EPEC avec la cellule infectee et ne SOnt pas pro- duits par le surnageant de culture des EPEC riches en proteines ESP solubles. Cela indique ‘que la trans- location de EspB, et peut-etre d’au- tres ESPs dans le cytoplasme de la cellule hate, necessite l’attachement des EPEC pour initier la cascade de signaux de transduction. Le proces- sus de translocation peut impliquer la formation de canaux dans la membrane de la cellule h&e [6,41] comme dans le systeme homologue de translocation de Yersinia [19]. Pour conclure, une activite concer- tee des proteines Esp et Sep est ne- cessaire pour engendrer des lesions A/E. L’elucidation de la fonction biochimique de ces proteines est la cle de la comprehension de la viru- lence des EPEC. Le gene eae a ete le premier du groupe LEE a avoir ISte identifie 1211. 11 code pour l’intimine, une proteine de la membrane externe homologue de l’invadne des sou- ches de Yersinia. Comme l’invasine, l’intimine est une adhesine qui cause l’attachement intime des EPEC, et est par consequent impli- q&e dans l’invasion [8,21 I. In vitro et in vivo, l’intimine s’associe speci- fiquement a un domaine de Hp90 phosphorylee expose en surface, mais non a la protein’e non phos- phorylee. Des etudes in vitro ont identifie les integrines, ligands de l’invasine, comme un ligand sup- plementaire de l’intimine 1151. Ce- pendant, l’expression de l’invasine chez les EPEC ne complemente pas les mutants eae 1351. Ainsi, le role de la liaison de l’integrine a l’intimine reste a definir. Les mutants eae des EPEC ne se lient pas a l’Hp90 tyro- sine phosphorylee, ne forment pas d’attachement intime a la cellule hate, ne causent pas l’organisation en piedestal de l’actine polymerisee 121, 331. Par consequent, ces mu- tants, qui ne forment pas de piedes- tals, sont moins invasifs 18, 351 ; ils elicitent encore toutefois la trans-

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duction de signaux, une polymeri- sation diffuse de l’actine et la d&e- nerescence des microvilli de la bor- dure en brosse 18,351. De plus, ces mutants cue s’attachent encore a la cellule h&e par les BIT et peut-@tre par d’autres adhesines. En accord avec ces observations, les mutants cue causent encore une ma- ladie chez des volontaires humains. Celle-ci est cependant attenuee si on la compare a la maladie causee par la souche sauvage isogenique [lo]. Les BFR responsables de l’attache- ment initial des EPEC, en sont le facteur d’attachement majeur 1161. La biogenese des BFP est codee par un amas de 14 genes (les genes .Q7), sit&s sur un grand plasmide de 50 a 90 kbp 139, 421. Un deuxieme groupe de genes se trouve sur le meme plasmide ; ces genes per re- gulent positivement l’expression des genes bfp, cue, et es@ 117, 431. Les genes bfp et per ne sont pas es- sentiels pour l’induction des lesions A/E par les EPEC ; toutefois, les deux groupes de genes activent for- tement la formation de ces lesions.

Remerciements Le travail effect& dans le labora- toire de Ban Rosenshine a beneficie de subventions de 1’Academie des sciences d’Israe1, de la Fondation binationale Israel-Stats-Unis et du minis&e israelien de la Sante.

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ANNALES DE L’INSTITUT PASTEUR / actualites (1997) 8,2 161