Modulation atypique de la biosynthèse de la colibactine, une génotoxine de Escherichia coli, ou comment un îlot génomique est en symbiose avec le chromosome bactérien

The pks genomic island codes a complex biosynthetic assembly line that synthetizes the colibactin, a genotoxin produced by some strains of Escherichia coli. This genotoxin generates DNA double-strand breaks in eukaryotic cells both in vitro and in vivo. Colibactin is not a protein, but a secondary metabolite belonging to the chemical family of hybrid polyketide/nonribosomal peptide compounds. Preliminary results from our research team suggested that certain genes of the E. coli core genome (i.e. genes present in all strains of the species) could also be involved in the colibactin production. The main goal of this thesis was to identify non-essential E. coli genes located outside the pks island that are required for colibactin biosynthesis, with the screening of a transposon mutant library. This revealed 29 potential candidate genes, but the project focused specifically on two groups of genes: three genes encoding chaperone proteins, and three genes encoding enzymes involved in polyamines metabolism. The first project highlighted the role of the molecular chaperone HtpG (or Hsp90Ec), the bacterial homolog of eukaryotic heat shock protein 90, in the production of colibactin, but also yersiniabactin, a siderophore (i.e. a bacterial iron uptake system) that belongs to the same chemical family as colibactin. Furthermore, the ClpQ protease was involved in colibactin and yersiniabactin production in combination with Hsp90Ec. These results confirmed the interplay between the biosynthesis of two E. coli virulence factors, colibactin and yersiniabactin. Finally, analysis of the effects of htpG disruption during systemic infection in animals, using rodent models of sepsis and neonatal meningitis, demonstrated the role of the stress-responsive molecular chaperone Hsp90Ec in E. coli virulence. The second project revealed the involvement of polyamines in the biosynthesis of colibactin. A molecular microbiology approach demonstrated that spermidine was the polyamine required for colibactin production. Preliminary results suggested that spermidine could regulate the expression of some pks island genes, and therefore could modulate colibactin production. Further experiments are in progress to elucidate the molecular mechanisms involved in this regulation. Together, the results of this thesis perfectly illustrate the symbiotic integration of a mobile genetic element acquired during evolution into the bacterial chromosome, through several crosstalks allowing the production of virulence factors in E. coli.L'îlot génomique pks code une machinerie de biosynthèse complexe synthétisant la colibactine, une génotoxine produite par certaines souches de Escherichia coli. Cette génotoxine induit des cassures double-brin de l'ADN sur les cellules eucaryotes in vitro et in vivo. La colibactine n'est pas une protéine, mais un métabolite secondaire de type polycétide/peptide non-ribosomal (PK/NRP). Des résultats préliminaires de l'équipe semblaient indiquer que certains gènes du core genome de E. coli seraient également impliqués dans la production de la colibactine. L'objectif de cette thèse était d'identifier les gènes non-essentiels de E. coli situés hors de l'îlot génomique pks impliqués dans la synthèse de colibactine, en construisant une banque de mutants par insertion de transposons. Ce criblage a permis d'identifier 29 gènes candidats, mais deux groupes de gènes ont été particulièrement étudiés dans la suite du projet : trois gènes codants des protéines chaperons, et trois gènes codant des enzymes impliquées dans le métabolisme des polyamines. Le premier projet a permis de montrer que la protéine chaperon HtpG (ou Hsp90Ec), homologue bactérien de la protéine de choc thermique eucaryote Hsp90, est requise pour la production de colibactine, mais aussi de yersiniabactine, un sidérophore (ou système bactérien de captation du fer) appartenant à la même famille chimique que la colibactine. De plus, la protéase ClpQ intervient de concert avec Hsp90Ec dans la production de colibactine et de yersiniabactine. Ces résultats confirment ainsi l'interconnexion entre la synthèse des deux facteurs de virulence de E. coli, la colibactine et la yersiniabactine. Enfin, l'analyse des effets de la mutation du gène htpG au cours d'une infection systémique chez l'animal, dans des modèles de sepsis et de méningite néonatale chez les rongeurs, démontre le rôle de la protéine de réponse au stress Hsp90Ec dans la virulence de E. coli. Le second projet a révélé que les polyamines sont impliquées dans la production de colibactine. L'étude du métabolisme des polyamines par une approche de microbiologie moléculaire a démontré que la spermidine est la polyamine nécessaire à la production de colibactine. Les résultats préliminaires de ce projet indiquent que la spermidine participerait à la régulation de l'expression de certains gènes de l'îlot génomique pks, et de fait modulerait la biosynthèse de colibactine. Des études complémentaires sont en cours pour élucider les mécanismes impliqués. Les résultats de cette thèse sont une illustration parfaite de l'intégration symbiotique d'un élément génétique mobile acquis au cours de l'évolution au sein du chromosome bactérien, grâce à plusieurs connexions bilatérales permettant la production de facteurs de virulence par E. coli