Au-delà de la spore, l'anthrose à sucre exosporium a un impact sur la régulation végétative des gènes de Bacillus anthracis en cis et trans

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5060 (2023) Citer cet article

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La sieste de Bacillus anthracis exosporium est la partie la plus externe de la spore qui interagit avec l'environnement et les systèmes hôtes. Les modifications apportées à cette couche peuvent potentiellement avoir un impact sur de vastes processus physiologiques et immunologiques. Le sucre unique, l'anthrose, recouvre normalement la sieste de l'exosporium à ses points les plus distaux. Nous avons précédemment identifié des mécanismes supplémentaires rendant l'anthrose de B. anthracis négatif. Dans ce travail, plusieurs nouvelles souches de fourmis − B. anthracis sont identifiées et l'impact de la négativité de l'anthrose sur la physiologie des spores est étudié. Nous démontrons que les vaccins Sterne vivants atténués ainsi que les vaccins contre le charbon en filtrat de culture génèrent des anticorps ciblant les composants non protéiques de la spore. Le rôle de l'anthrose en tant que molécule de signalisation végétative de B. anthracis Sterne est impliqué par des tests de souches d'expression luminescentes, des expériences de séquençage d'ARN et une analyse de la sécrétion de toxines par Western blot. L'anthrose pur et la décoyinine, un analogue nucléosidique induisant la sporulation, ont eu des effets similaires sur l'expression des toxines. Des expériences de co-culture ont démontré que les changements d'expression génique chez B. anthracis dépendent du statut d'anthrose intracellulaire (cis) en plus du statut d'anthrose des interactions extracellulaires (trans). Ces résultats fournissent un mécanisme permettant de comprendre comment un résidu de sucre spécifique à une spore unique affecte la physiologie, l'expression et la génétique du B. anthracis végétatif, avec des impacts sur l'écologie, la pathogenèse et la vaccinologie du charbon.

La bactérie Bacillus anthracis provoque le charbon et peut survivre à des conditions environnementales difficiles en formant une spore1. Autour de l’endospore se trouve une couche de protéines lâche, riche en glucides appelée exosporium2. Pendant la sporulation, l'exosporium s'assemble autour de l'avant-spore tout en se formant dans la cellule mère grâce à un effort coordonné des protéines CotE, CotO et CotY3. La partie extérieure de l'exosporium est composée de glycoprotéines créant une couche semblable à du velcro connue sous le nom de sieste de l'exosporium. La sieste contient des tiges saillantes des protéines glycosylées BclA et BclB attachées aux protéines de la couche basale ExsFA/BxpB et ExsFB4,5. La glycoprotéine exosporium sieste confère une surface chargée à la spore et constitue la surface distale médiatrice des interactions entre les spores au repos et l'environnement externe, y compris les particules de sol, les cellules hôtes animales et d'autres spores. Lors de la germination, la sieste de l'exosporium est éliminée et B. anthracis commence à germer, puis se réplique sous forme végétative tout en sécrétant la toxine du charbon6.

Huit protéines ont été identifiées comme composants importants de l'exosporium lorsqu'elles sont préparées à partir d'exosporia lavées pour éliminer toutes les protéines des cellules végétatives7. La protéine BclA est le composant protéique majeur de l'exosporium et forme les fibres en forme de tige dépassant de la surface de l'exosporium. Les régions répétées de type collagène de BclA varient en longueur entre les souches de B. anthracis en fonction de la taille du gène bclA. Ces polymorphismes contribuent aux changements observables d’épaisseur de poils à la surface des spores8. BclA est présent dans les formations trimériques où les régions de type collagène sont densément glycosylées avec des répétitions pentasaccharides de GalNAc-Rha-Rha-Rha-Ant9. La fourmi est l'anthrose monosaccharide et est un sucre rare que l'on trouve dans peu d'endroits dans la nature. L'opéron biosynthétique de l'anthrose a été bien caractérisé et est composé de quatre gènes antA, antB, antC et antD10,11. Tous les gènes sont impliqués dans la biosynthèse de l'anthrose, l'inactivation de l'antA réduisant de moitié l'anthrose des spores mesurables et l'inactivation de l'antB, de l'antC ou de l'antD abolissant les niveaux détectables d'anthrose des spores11. L'anthrose n'est pas synthétisée par d'autres Bacillus spp. et est donc uniquement présent à la surface des spores de B. anthracis. Des résidus de sucre alternatifs se trouvent sur les spores d'autres Bacillus spp, comme la céréose présente sur les spores de Bacillus cereus12,13. Même si BclA se trouve à la surface de l'exosporium, sa contribution à la pathogenèse n'est pas claire. BclA n'était pas nécessaire pour une virulence totale dans les expériences de provocation à haute dose avec des souris Sterne4 ou Ames14, tandis que dans une autre étude, un mutant ΔbclA Sterne 34F2 présentait une réduction de 50 à 70 % de la DL50 par rapport au Sterne 34F215 de type sauvage. La conception de l'étude à dose élevée peut masquer les effets de virulence de l'inactivation de bclA avec une production de toxine fulminante et de capsule qui peuvent être révélés dans des études DL50 plus sensibles. Il est important de noter qu’un knock-out de BclA élimine efficacement l’anthrose de la surface des spores, tout en laissant intacte sa biosynthèse dans les cellules végétatives. Il a été démontré que l’élimination de BclA augmente l’association avec les cellules épithéliales, les fibroblastes et les cellules endothéliales, mais pas avec les macrophages16. Ceci a été corroboré par d'autres qui ont montré que les spores knock-out de BclA étaient incapables de se lier au récepteur de macrophage CD14, tandis que l'élimination de l'anthrose de BclA dans les spores knock-out d'antC/degT augmentait la liaison au récepteur CD14 en révélant les résidus de rhamnose. Ceci est en accord avec les découvertes selon lesquelles les souris confrontées à des spores mutantes bclA retiennent davantage de spores dans le liquide pulmonaire broncho-alvéolaire après une provocation par aérosol14. La fonction précise de l'anthrose et sa contribution à la pathogenèse restent floues, des preuves étayant son interaction avec l'environnement du sol et les cellules du système immunitaire. Auparavant, nous avions constaté que l'élimination de l'anthrose de la surface des spores réduisait l'efficacité de la germination et augmentait les taux de sporulation dans un modèle hétérologue de B. anthracis Sterne . Outre les changements physiologiques, les spores négatives pour l'anthrose présentaient la moitié de la DL50 dans un modèle de provocation sous-cutanée chez la souris, conduisant à un délai de mort plus rapide et à une dissémination plus rapide dans les organes hôtes. Une augmentation de la létalité a également été observée dans un deuxième modèle animal en stimulant les larves de Galleria mellonella avec des spores18.