Influence of environment on the surface proteome of Clostridium difficile : global analysis and characterization of the cysteine protease Cwp84

Clostridium difficile, a gram-positive spore-forming, anaerobic bacterium, is the etiological agent of pseudomembranous colitis and of many cases of nosocomial diarrhea. The main risk factor is the use of antibiotics that alters the intestinal microbiota, predisposing to C. difficile intestinal colonization. C. difficile pathogenicity is mediated mainly by its A and B toxins, secreted after host colonization that involves various surface proteins, including different adhesins and proteolytic enzymes as the cysteine protease Cwp84.We sought to analyze the localization and the maturation process of the proteaseCwp84. We showed that the recombinant protein Cwp8430-803, purified as zymogen form, presents a particular maturation process including consecutive cleavages, leading to the mature form of 47 kDa. This protease has a proteolytic activity against the fibronectin. Two identifiable forms of the protease were found to be associated in the bacteria: a form of about 80 kDa and a cleaved one of 47 kDa, identified as the mature protease. They were found mainly in the bacterial cell surface fractions, and weakly in the extracellular fraction. The 80 kDa protein was non covalently associated to the S-layer proteins, while the 47 kDa form was found to be tightly associated with the underlying cell wall. Our data supported that the anchoring of the Cwp84 47 kDa form is presumably due to a re-association of the secreted protein.We also studied the regulation of virulence factors depending of environmental conditions that mimic those encountered by the bacterium in the digestive tract. We showed that an acidic pH affects the expression and the proteolytic process of Cwp84. The mature form was only recovered with an acidic pH. Proteomic and transcriptomic analysis of some surface proteins involved in colonization revealed that their expression was increased in media containing glucose. However, this regulation is probably related to the decrease in pH resulting from fermentation of glucose, rather than a direct effect of glucose. The acidic pH could lead in vivo to modulation of virulence factors expression and is probably a favorable feature in the colonisation process. We also identified new surface associated-proteins, that could represent potential virulence factors; they will be characterized later.Clostridium difficile est une bactérie pathogène responsable de diarrhées nosocomiales et de la plupart des colites pseudomembraneuses. Le principal facteur de risque est la prise d’antibiotiques qui altère la composition du microbiote intestinal, et favorise ainsi l’implantation de la bactérie au niveau colique. Après une étape de colonisation, la bactérie produit ses principaux facteurs de virulence, les toxines A et B. La colonisation est un processus multifactoriel, qui met en jeu différentes protéines de surface dont des adhésines et une cystéine protéase Cwp84.Dans une première partie, nous avons analysé le processus de maturation de la protéase Cwp84, ainsi que sa localisation dans la bactérie, afin de mieux comprendre son rôle dans la virulence de C. difficile. La protéase recombinante, purifiée sous forme de zymogène, présente un processus de maturation particulier comprenant des clivages successifs, qui aboutissent à la forme mature de 47 KDa. La protéase ainsi activée présente une activité protéolytique sur la fibronectine. Dans la bactérie, Cwp84 existe sous deux formes majoritaires, associées à la surface de la bactérie : une première forme, d’environ 80 KDa, associée aux protéines de la couche S, dont le rôle serait de cliver le précurseur des protéines de la couche S en deux protéines matures ; une deuxième forme, d’environ 50 KDa correspondant vraisemblablement à la forme mature de la protéase recombinante de 47 KDa, est retrouvée à la fois dans la fraction extracellulaire et associée à la surface de la bactérie. Nous avons montré que la protéase rélarguée est capable de se ré-associer sous sa forme mature de manière spécifique à la surface de C. difficile. Dans une deuxième partie, nous avons analysé l’impact de conditions environnementales mimant celles rencontrées par la bactérie au cours de son transit dans le tractus digestif de l’hôte, sur la modulation de facteurs de colonisation, dont la protéase. Nous avons montré qu’un pH acide favorise à la fois l’expression et le processus de maturation de la protéase vers sa forme mature de 47 KDa. Des analyses protéomiques et transcriptomiques ont montré que d’autres protéines impliquées dans colonisation sont surexprimées dans un milieu avec glucose, cette régulation étant vraisemblablement liée à la diminution du pH résultant de la fermentation du glucose plutôt qu’à un effet direct de ce sucre. Cette régulation des facteurs de virulence par le pH acide est probablement un élément favorable au processus de colonisation de l’hôte. Ces différentes analyses ont également permis l’identification de facteurs de virulence potentiels, qui devront être caractérisés par la suite