Résistance à la Bacitracine chez Bacillus subtilis

Université de la Méditerranée, Aix-Marseille II
Faculté des Sciences de Luminy
163, Avenue de Luminy
13288 Marseille Cedex 09
THESE DE DOCTORAT
Spécialité : Microbiologie et Biotechnologies
présentée et soutenue publiquement par
BERNARD Rémi
Le 6 avril 2007
en vue d’obtenir le grade de Docteur de l’Université de la Méditerranée
Résistance à la Bacitracine chez Bacillus subtilis
Jury
M. BARRAS Frédéric Professeur, Université de la Méditerranée Examinateur
M. BOCCARD Frédéric Directeur de Recherche, CGM Gif-sur-Yvette Rapporteur
M. DENIZOT François Directeur de Recherche, CNRS Marseille Directeur de Thèse
M. NOIROT Philippe Directeur de Recherche, INRA Jouy-en-Josas Rapporteur
M. SPRINGER Mathias Directeur de Recherche, IBPC Paris Examinateur
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Introduction Bibliographique 1
I- Les résistances aux antibiotiques : Nature, Emergence et Dissémination 3
A. L’émergence de résistances : un problème de santé publique 3
1. Un phénomène qui dépend des régions géographiques 3
2. Une même tendance : l’augmentation de bactéries résistantes 4
B. Une mauvaise utilisation des antibiotiques 5
1. Dans le milieu médical 5
2. Dans le monde agricole 6
C. Plasticité des génomes bactériens et dissémination de résistances 7
1. Mutation naturelle du génome bactérien 8
2. Les éléments mobiles de dissémination 10
2.1. Les plasmides 10
2.2. Les transposons 11
2.3. Les intégrons 11
3. Les mécanismes de transfert d’ADN 12
D. Les bactéries non pathogènes : un réservoir de déterminants génétiques de
résistance 13
1. Le résistome des bactéries du sol 13
2. Des bactéries ubiquitaires au centre des disséminations 14
3. Le groupe de Firmicutes : un groupe ubiquitaire producteur d’antibiotiques
et contenant de nombreux pathogènes 14
II- Les antibiotiques naturels ciblant l’enveloppe bactérienne : Diversité,
Classification et Mode d’action 16
A. L’enveloppe bactérienne : Importance, Structure et Biosynthèse 16
1. Composition et fonction 16
1.1. La membrane cytoplasmique 17
1.2. La paroi bactérienne 17
2. Synthèse et structuration du constituant majeur de la paroi : le peptidoglycane 19
2.1. Formation du précurseur monomérique 19
2.2. La translocation du précurseur 20
2.3. Polymérisation et structuration du peptidoglycane 21
- Les PBPs (Penicillin Bindin Proteins) 22
- Activité autolytique et renouvellement des couches de la paroi 23
- Structuration de la maille de peptidoglycane 24
2.4. Régénération du translocateur lipidique 24
B. Diversité des antibiotiques ciblant la paroi 27
1. Les antibiotiques peptidiques à synthèse non-ribosomale 27
1.1. Biosynthèse 27
1.2. Une grande diversité de structures 28
2. Les antibiotiques peptidiques à synthèse ribosomale 29
2.1. Diversité de structures 29
2.2. Les Bactériocines 30
3. Les antibiotiques non peptidiques 31
3.1. Les β-lactames 31
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3.2. La fosfomycine 32
C. Diversité des Modes d’action 33
1. Perturbation de l’intégrité membranaire par les antibiotiques peptidiques 33
2. Inhibition de la synthèse de la paroi 36
2.1. Fosfomycine, Cyclosérine et Muréidomycine : inhibition des étapes
primaires 36
2.2. Inhibition des étapes plus tardives : le lipide II, une cible majeure 37
-Les Ramoplanines : complexation au lipide I et II, un exemple de
dualité fonctionnelle 37
-Les Glycopeptides et l’inhibition des étapes de polymérisation 38
-Les β-lactames : un ciblage direct des PBPs 38
-Les lantibiotiques : complexation au lipide II 39
2.3. La bacitracine et l’inhibition de la dernière étape dans la biosynthèse de
peptidoglycane 40
III- Mécanismes de résistances aux antibiotiques ciblant l’enveloppe
Bactérienne et régulation de ces mécanismes 41
A. Diversité de mécanismes liée à la diversité des antibiotiques 41
1. Mécanismes ciblant directement l’antibiotique 41
1.1. Inactivation de l’antibiotique ou modification de l’expression de ses
gènes de synthèse 41
-Les β-lactamases et la résistance aux β-lactames 41
-Résistance à la fosfomycine 43
-Répression de l’expression des gènes codant pour l’antibiotique 43
1.2. Dégradation ou séquestration de l’antibiotique 43
2. Modification de la cible de l’antibiotique 44
2.1. Perte de la cible ou modification de son expression 44
2.2. Altération de l’affinité de l’antibiotique pour sa cible 45
-Résistance aux glycopeptides 45
-Les PBPs de faibles affinités 46
-Modification de la charge nette de la cible et inhibition des interactions
électrostatiques 47
-Résistance à la D-cyclosérine 48
3. Réduction de la pénétration de l’antibiotique 48
3.1. Modifications des constituants de la membrane externe chez les bactéries
à Gram négatif 48
3.2. Modifications des constituants de la paroi 49
3.3 Modifications des propriétés de la membrane plasmique 50
4. Les systèmes actifs d’efflux d’antibiotiques, focalisation sur les transporteurs de
type ABC 50
4.1. Une grande variété de pompes d’efflux bactériennes 50
4.2. Structure des transporteurs ABC 51
4.3. Classification des transporteurs ABC 52
4.4. Fonctionnement des exporteurs de drogues et antibiotiques 54
B. Mécanismes de régulation permettant une réponse adaptée des bactéries aux stress
de l’enveloppe 56
1. Les « Cell-Wall Stress » stimulon 56
2. Les facteurs sigma à fonction extracytoplasmique ou ECFs 59
2.1. Définition et mécanisme d’action 59
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2.2. Répertoire et fonction des ECFs de Bacillus subtilis 60
-Le facteur σX 61
-Le facteur σW 61
-Le facteur σM 62
3. Les systèmes de transmission du signal (ou systèmes à deux composants) 63
3.1. Définition et mécanisme d’action 63
3.2. Répartition et classification de senseurs et régulateurs chez les bactéries 65
3.3. Phosphorelais et antibiotiques ciblant l’enveloppe bactérienne 68
-Exemples de résistances spécifiques 68
-Exemples de phosphorelais couplant résistances aux antibiotiques et
virulence 69
-Exemples de phosphorelais répondant aux stress de l’enveloppe
bactérienne 70
-Phosphorelais, Quorum-sensing et lantibiotiques 71
IV- La Bacitracine 73
A. Mode d’action 73
B. Biosynthèse de la bacitracine et résidus essentiels à son activité 74
C. Mécanismes connus de résistance à la bacitracine 76
1. Transporteur ABC et export potentiel de bacitracine : mécanisme d’immunité
de B. licheniformis ? 76
2. Activités antagonistes 77
3. Mécanisme spécifique trouvé chez les bactéries à Gram négatif 77
Résultats 78
Problématique de l’article 1 79
1. Couplage fonctionnel et génétique entre phosphorelais et transporteurs ABC 79
2. Description des constituants de ces systèmes phosphorelais/ABC 79
3. But de l’article : identification de la résistance due à chaque transporteur ABC et
régulation des gènes de structure correspondants. 80
Article 1 - YtsCD and YwoA, two independent systems that confer bacitracin
resistance to Bacillus subtilis 80
Conclusion de l’article 1 81
Problématique de l’article 2 83
Article 2 - BcrC from Bacillus subtilis acts as an undecaprenyl pyrophosphate
phosphatase in bacitracin resistance 84
Résultats complémentaires de l’article 2 84
1. Autres UPP Phosphatases chez B. subtilis 84
2. Topologie membranaire de la protéine BcrC 85
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Problématique de l’article 3 87
Article 3 - Resistance to bacitracin in Bacillus subtilis : unexpected requirement
of the BceAB ABC transporter in the control of expression of its own structural
genes 88
Conclusion de l’article 3 88
Résultats complémentaires de l’article 3 89
1. Senseur BceS et résistance à la bacitracine 89
2. Dans les systèmes couplant génétiquement et fonctionnellement un phosphorelais
et un transporteur ABC, ce dernier est-il toujours nécessaire à la réponse ? 90
3. Les senseurs à boucle extracytoplasmique courte dans les génomes bactériens 91
Discussion Générale et Perspectives 92
1. Les UPP phosphatases 93
2. Quelle est l’utilité pour B. subtilis d’avoir deux systèmes de résistance
à la bacitracine ? 96
3. Le système BceRSAB 97
Références Bibliographiques 104
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