Actualités sur les tocines de Staphylococcus aureus

MISE AU POINT
4
La Lettre de l’Infectiologue - Tome XIV - n° 1 - janvier 1999
es facteurs de virulence des staphylocoques peuvent
schématiquement être classés en molécules d’adhé-
sion, en substances antiphagocytaires et en facteurs
agressifs. Ces derniers sont principalement représentés chez
Staphylococcus aureus par de nombreuses toxines et enzymes.
!Les facteurs d’adhésion sont d’une importance majeure pour
la survenue d’un processus infectieux. En effet, ils permettent
à la bactérie de se fixer sur un tissu-cible et de s’y développer.
Cette étape permettra à la bactérie de produire localement des
concentrations biologiquement efficaces de facteurs de viru-
lence (toxines, enzymes).
!Les facteurs antiphagocytaires empêchent les défenses de
l’hôte infecté d’agir pleinement. Ils contribuent ainsi à l’inva-
sivité de la souche infectante. Des toxines et des enzymes exer-
cent cette fonction.
!Les facteurs agressifs sont responsables d’une lyse cellulaire
ou tissulaire (action directe) ou d’une stimulation inappropriée
de cellules de l’immunité avec production inadaptée de molé-
cules de l’inflammation (action indirecte). De nombreuses
toxines et enzymes remplissent ce rôle lors d’infections.
Il s’agit là des trois principales facettes fonctionnelles de la
physiopathologie des infections à staphylocoques. Ces fonc-
tions sont étroitement intriquées entre elles. Elles sont assurées
d’une part par des molécules insolubles liées aux enveloppes
de la bactérie, et, d’autre part, par de nombreuses substances
solubles de nature protéique, classiquement divisées en
enzymes et en exotoxines. Les enzymes sont des molécules
capables d’accélérer de façon considérable la formation ou la
rupture de liaisons chimiques intra- ou intermoléculaires. Leur
rôle fonctionnel dans la virulence est important, mais ne sera
pas traité ici.
Les exotoxines protéiques regroupent des substances dont l’ac-
tion biologique est soit complexe, soit encore inconnue. De ce
fait, avec l’évolution des connaissances, certaines molécules
classiquement appelées toxines sont reconnues pour avoir une
Actualités sur les toxines de Staphylococcus aureus
! Y. Piémont*
RÉSUMÉ. Les toxines de Staphylococcus aureus sont souvent sécrétées de façon inconstante, soit du fait de l’équipement variable des souches
en gènes de structure correspondants, soit du fait de phénomènes complexes de régulation portant sur l’expression de ces gènes. Un premier
groupe de toxines a un tropisme membranaire. Ce sont les toxines alpha, bêta, delta et les toxines synergo-hyménotropes (toxines SHT) ; ces
dernières sont formées, entre autres, de la toxine gamma et de la leucocidine de Panton-Valentine. La toxine alpha crée des pores dans la mem-
brane d’un nombre limité de cellules. Ces pores permettent le passage de petites molécules (souvent des ions) qui soit activent ces cellules,
soit les détruisent. La toxine bêta est une sphingomyélinase qui active et détruit sélectivement les monocytes humains. La toxine delta agit
comme un détergent. Les toxines SHT comportent deux composés indépendants de type S et F qui s’associent à la surface de cellules-cibles
pour y créer des pores laissant pénétrer des ions divalents. Ces cellules sont alors stimulées et libèrent de nombreux médiateurs de l’inflam-
mation. Les gènes de structure des toxines SHT sont variés et de structure légèrement différente. Un seul isolat peut en héberger plusieurs. Les
souches hébergeant certains de ces gènes sont fortement associées à la présence de furoncles. Un deuxième groupe de toxines est constitué
par les exfoliatines A et B, responsables de l’épidermolyse bulleuse du nourrisson. Ces toxines créent un plan de clivage intra-épidermique,
vraisemblablement par un mécanisme de protéolyse. Un troisième groupe de toxines est formé par les toxines pyrogènes superantigéniques :
toxine du syndrome de choc toxique et entérotoxines. L’une des cibles de ces toxines est formée par les hépatocytes, dont elles inhibent l’acti-
vité épuratoire d’endotoxines : l’organisme infecté devient plus sensible à un choc endotoxinique. Leur autre cible est la partie V
β constituti-
ve du récepteur des lymphocytes T ainsi que le complexe majeur d’histocompatibilité II des cellules présentatrices d’antigène ; ces deux types
de cellules sont activés avec stimulation polyclonale des cellules T. Les nombreuses cytokines libérées sont responsables de fuites capillaires,
et donc de l’installation d’un état de choc. Les entérotoxines sont également responsables de toxi-infections alimentaires. Enfin, les staphylo-
coques peuvent produire un dernier type de toxine, appelé “epidermal differentiation inhibitor” (EDIN) et capable d’ADP-ribosyler des
G-protéines cellulaires.
Mots-clés : Staphylocoque - Toxine - Pathogénicité - Superantigène - Membrane - Peau - Régulation.
*Institut de bactériologie, faculté de médecine, 67000 Strasbourg.
L
Y. Piémont 10/03/03 14:58 Page 4

La Lettre de l’Infectiologue - Tome XIV - n° 1 - janvier 1999
5
action enzymatique, comme c’est le cas pour la toxine bêta et
vraisemblablement pour l’exfoliatine de S. aureus.
Le mot toxine provient du grec τò τóξov (arc,flèche), lui-même
emprunté vraisemblablement à l’iranien ou au scythe ; ce mot
a donné τoξικóv (sous-entendu τò φαρµακov) signifiant “(poi-
son) dont on imprègne les flèches”, puis, en latin, toxicum,
signifiant “poison à l’usage des flèches”.
La présente revue est consacrée aux nombreuses exoprotéines
de S. aureus, classiquement rangées parmi les toxines. Celles-
ci sont dirigées vers les membranes cytoplasmiques des cel-
lules eucaryotes, vers les kératinocytes ou vers les cellules res-
ponsables de l’immunité. Certaines ont une activité
enzymatique.
LES TOXINES À TROPISME MEMBRANAIRE
Toxine alpha
"Structure et fréquence. Il s’agit d’une protéine hydroso-
luble de 33,2 kDa sécrétée par 85 % des souches de S. aureus
isolées en clinique humaine. La liaison de cette toxine aux mem-
branes cellulaires y entraîne la formation de pores heptamé-
riques (1).
La formation du pore heptamérique est ATP-indépendante, et
l’énergie requise pour produire le pore doit provenir du chan-
gement de conformation des monomères de toxine. La struc-
ture tridimensionnelle du pore (1) est celle d’un champignon
dont le chapeau se localise sur la face externe de la membrane
de la cellule-cible et dont le pied s’insère dans la membrane
cytoplasmique (figure 1). Le canal qui traverse ce complexe
heptamérique en son centre, c’est-à-dire transversalement au
centre du chapeau, puis longitudinalement au centre du pied, a
un diamètre variant de 1,4 à 4,6 nm. La partie transmembra-
naire du pore est formée par quatorze feuillets plissés bêta. Cha-
cune des sous-unités fournit deux de ces feuillets. Ce type de
pore est original : en effet, quasiment toutes les toxines connues
de bactéries (comme l’hémolysine delta de S. aureus) ou d’in-
sectes utilisent des hélices alpha pour perturber les membranes
cellulaires.
"Activité biologique. Sur les membranes de certaines cel-
lules (érythrocytes, plaquettes, cellules endothéliales), la toxine
alpha crée des pores membranaires laissant passer de petites
molécules de moins de 2 kDa. Ainsi, de l’ATP cellulaire est
libéré de la cellule, et des molécules d’eau et des ions calcium
y entrent. Il s’ensuit, par exemple, une hémolyse des globules
rouges (ceux du lapin sont 400 fois plus sensibles que ceux de
l’homme) (2) et une activation des plaquettes et de la coagula-
tion. Chez d’autres cellules (monocytes, lymphocytes, kérati-
nocytes), pour des raisons mal élucidées, les pores formés ont
un diamètre plus petit et seuls des ions monovalents (sodium,
potassium) peuvent passer au travers (3, 4). Cela entraîne, chez
les monocytes, une libération massive d’interleukine 1βet,chez
les lymphocytes, leur apoptose (4). Sur les granulocytes, la
toxine alpha se fixe, mais est incapable de créer des pores. Dans
les modèles animaux de péritonite de souris (5) ou d’infection
mammaire de souris, les souches produisant de la toxine alpha
sont plus virulentes que les souches isogéniques qui en sont
dépourvues.
"Rôle en pathologie humaine. La toxine alpha a un rôle
important dans la virulence par son action pro-inflammatoire,
mais ce rôle n’est pas spécifiquement individualisable en cli-
nique.
Figure 1. Structure tridimensionnelle de l’heptamère de toxine alpha
(diagramme en ruban).
A : vue parallèle au plan membranaire.
B : vue depuis l’extérieur de la cellule, perpendiculairement au plan mem-
branaire.
(D’après L. Song et coll., Science 1996 ; 274 : 1859-66. Avec l’aimable auto-
risation de l’éditeur).
Y. Piémont 10/03/03 14:58 Page 5

MISE AU POINT
6
La Lettre de l’Infectiologue - Tome XIV - n° 1 - janvier 1999
Toxine bêta
"Structure et fréquence. La toxine bêta est une protéine de
39 kDa dont le gène a été cloné et séquencé (6). Ce gène peut
être inactivé naturellement par l’insertion de phages convertis-
seurs portant les gènes de l’entérotoxine A et de la staphyloki-
nase. Seules 18 % des souches cliniques d’origine humaine pro-
duisent cette toxine, alors que celle-ci semble être plus
fréquemment synthétisée par les souches isolées de mammites
bovines.
"Activité fonctionnelle. La toxine bêta est en réalité une
phospholipase de type C coupant la sphingomyéline en N-acyl-
sphingosine et en phosphoryl-choline. Elle est responsable
d’une hémolyse des globules rouges de mouton selon un pro-
cessus particulier, dit “chaud-froid”. À 37° C, la toxine bêta
dégrade 50 à 80 % de la sphingomyéline des membranes et
désorganise ainsi les bicouches lipidiques, qui gardent malgré
tout leur rôle de barrière. Les membranes sont réellement lysées
par une perturbation secondaire due par exemple au froid ou à
l’action de l’EDTA ou de l’hémolysine delta de S. aureus. La
sensibilité de ces érythrocytes à l’action de la toxine bêta dépend
de leur teneur en sphingomyéline.
Chez l’homme, cette toxine détruit sélectivement les mono-
cytes, mais apparemment aucune autre cellule. La lyse des
monocytes s’accompagne de la libération d’IL1 bêta (par acti-
vation de l’enzyme de conversion [ICE]) et de récepteurs
solubles de l’IL6 (7).
Dans un modèle de mastite de souris (8),les souches produc-
trices de toxine bêta sont plus pathogènes que celles dont le
gène a été inactivé par remplacement allélique.
"Rôle en pathologie humaine. Chez l’homme, ces souches
semblent être plus fréquemment associées à des cas de furoncles
récidivants.
La toxine bêta joue un rôle dans la virulence par son action pro-
inflammatoire, mais ce rôle n’est pas spécifiquement indivi-
dualisable en clinique.
Toxine gamma et leucocidine
Ces toxines ont été regroupées sous le vocable de toxines
synergo-hyménotropes (ou toxines SHT) (9).
Ces toxines SHT forment des pores dans la membrane des
monocytes et des granulocytes d’homme et de lapin. Elles sont
aussi capables de lyser in vitro les érythrocytes humains. Elles
agissent par la fixation séquentielle de deux composés pro-
téiques hydrosolubles qui ne sont pas associés entre eux lors-
qu’ils sont en solution. Ces composés sont appelés S et F. Leur
masse moléculaire est comprise entre 31 et 38 kDa. Seuls les
couples [S + F] ont une activité biologique. La toxine gamma
et la leucocidine (dite de Panton et Valentine) se différencient
par la structure primaire de leurs composés et par leur spécifi-
cité cellulaire : la première lyse les granulocytes et les éry-
throcytes d’homme et de lapin, alors que la seconde a une action
uniquement monocyto-granulocytolytique.
"Structure et fréquence. La structure de ces toxines est com-
plexe. Toutes les souches de S. aureus possèdent un locus géné-
tique formé de deux unités transcriptionnelles. La première
unité transcriptionnelle code pour une seule protéine de classe S
(HlgA). La seconde unité, située 500 bases en aval de la pre-
mière, est formée de deux gènes, l’un codant pour une autre
protéine de classe S (HlgC), l’autre codant pour une protéine
de classe F (HlgB) (figure 2). Ces souches de S. aureus peu-
vent donc former deux couples biologiquement actifs [S + F] :
[HlgC + HlgB] et [HlgA + HlgB]. C’est la combinaison de l’ac-
tivité de ces deux couples qui représente l’activité hémolytique
et leucocytolytique de la classique toxine gamma.
Environ 2 % des isolats cliniques de S. aureus possèdent, en
plus du locus décrit ci-dessus, un autre locus formé d’une seule
unité transcriptionnelle. Cette unité transcriptionnelle est for-
mée de deux gènes, l’un codant pour une protéine de classe S
(LukS-PV), l’autre codant pour une protéine de classe F (LukF-
PV) (figure 2). Ces rares isolats sont donc capables de produire
cinq protéines différentes : trois de classe S (HlgA, HlgC et
LukS-PV) et deux de classe F (HlgB et LukF-PV). Ces cinq
protéines peuvent donc former six couples [S + F] différents et
biologiquement actifs. Parmi eux, le couple [LukS-PV + LukF-
PV] représente la classique leucocidine de Panton et Valentine,
qui a l’activité granulocytolytique spécifique la plus importante.
Environ 28 % des isolats cliniques de S. aureus possèdent, en
plus du locus de la toxine gamma, un autre locus codant à la fois
pour une protéine de classe F (LukD) et pour une protéine de
Figure 2. Organisation
des gènes des toxines
synergo-hyménotropes des
staphylocoques.
(D’après Y. Piémont, Med
Mal Infect 1997 ; 27
(numéro spécial) : 135-42.
Avec l’aimable autorisation
de l’éditeur).
S. aureus (P83, Norcross)
(gamma-hémolysine)
S. aureus (ATCC 49775)
(gamma-hémolysine + LPV)
S. intermedius (B62)
(luk-I)
Flèches noires : composés du groupe S Flèches jaunes : composés du groupe F
98 % des souches
2%des souches
100 % des souches
hlgAhlgChlgB
hlgAhlgChlgB
luk-S-PV luk F -PV
luk-S-I luk F-I
.../...
Y. Piémont 10/03/03 14:58 Page 6

Y. Piémont 10/03/03 14:58 Page 7

MISE AU POINT
8
La Lettre de l’Infectiologue - Tome XIV - n° 1 - janvier 1999
classe S (LukE) (10). Ces souches produisent donc trois pro-
téines de classe S (HlgA, HlgC et LukE) et deux protéines de
classe F (HlgB et LukD) ; elles sont donc capables de former
également six couples [S + F] différents à la surface des cel-
lules-cibles. Quelques rares souches de S. aureus possèdent les
gènes codant pour les composés HlgA, HlgB, HlgC, HlgD,
HlgE, LukS-PV et LukF-PV, soit quatre composés de classe S
et trois composés de classe F ; ainsi, douze couples [S + F] dif-
férents sont potentiellement réalisables par ces souches (10).
Pour compliquer davantage la description de ces toxines, les
divers isolats d’une souche donnée de S. aureus disponibles
dans les collections microbiologiques peuvent posséder un
nombre variable de loci codant pour des toxines SHT. Par
exemple, l’isolat de la souche P83 d’origine bovine fourni par
N.L. Norcross (Cornell University, Ithaca, New York) produit
les trois protéines de la toxine gamma, tandis que l’isolat ATCC
31890 de cette même souche P83 produit un couple addition-
nel de protéines SHT appelées LukM et une protéine “LukF-
PV like” (11). Ces observations suggèrent que les loci codant
pour les protéines des toxines SHT pourraient être situés sur
des éléments génétiques mobilisables.
Enfin, une autre espèce de staphylocoque à coagulase positive,
S. intermedius, produit constamment une autre toxine synergo-
hyménotrope codée par une unité transcriptionnelle unique
formée de deux gènes : l’un codant pour une protéine de classe S
(LukS-I), l’autre codant pour une protéine de classe F (LukF-I)
(figure 2).
"Activité biologique des toxines SHT. Sur les granulocytes,
le composé S doit se fixer le premier pour permettre la fixation
du composé F. Cette fixation nécessite la présence du ganglio-
side GM1 dans les membranes cellulaires. La stœchiométrie
des composés S et F fixés dans la membrane de ces cellules est
inconnue. Sur les érythrocytes humains, c’est le composé F
(HlgB) qui doit se fixer le premier pour permettre la fixation
du composé S (HlgA) en présence de GM1 membranaire. Dans
ce cas, la fixation du couple [HlgA + HlgB] aboutit à la for-
mation d’un complexe protéique de 100 kDa qui serait formé
de deux molécules HlgB et d’une molécule HlgA (12).
L’activité biologique des toxines SHT a été étudiée plus parti-
culièrement avec la leucocidine de Panton et Valentine. In vitro,
les toxines SHT créent des pores transmembranaires dans les
granulocytes. Ces pores laissent passer des ions divalents (sur-
tout les ions Ca2+) lorsque le milieu extracellulaire contient ces
ions calcium ; lorsqu’il n’en contient pas, la structure du pore
change et de plus grosses molécules comme le bromure d’éthi-
dium peuvent entrer dans la cellule. Parallèlement, les granu-
locytes produisent des leucotriènes B4, des métabolites oxy-
génés, de l’histamine, de l’IL8 et libèrent des enzymes
granulaires (13). Enfin, on observe une lyse des granulocytes.
Les différents couples de toxines SHT purifiées déterminent
des réactions inflammatoires sévères dans un modèle d’infec-
tion de l’humeur vitrée de lapin (14).
Dans ce modèle (15), il apparaît que les souches productrices
de toxine gamma ont une action pro-inflammatoire plus impor-
tante que les souches isogéniques dépourvues de ces gènes.
"Rôle des toxines SHT en pathologie humaine. En patho-
logie humaine, il existe une association étroite entre la présence
de souches productrices de leucocidine de Panton et Valentine
et la survenue d’infections cutanées primaires nécrosantes,
comme des furoncles. Inversement, 86 % des furoncles, 40 %
des abcès primitifs cutanés et 20 % des panaris sont dus à ces
rares isolats toxinogéniques de S. aureus (16). Cette nécrose
est reproductible par l’injection de leucocidine purifiée à un
animal comme le lapin, dont les granulocytes sont sensibles à
l’action de la leucocidine. Les manifestations cutanées nécro-
santes observées chez l’homme lors d’infections par des
souches productrices de leucocidine de Panton et Valentine sont
probablement le fruit de la réponse inflammatoire des granu-
locytes à la leucocidine ; cette réponse est vraisemblablement
aussi due aux cinq autres couples [S + F] produits par les
souches productrices de leucocidine.
En ce qui concerne les souches de S. aureus les plus fréquentes,
c’est-à-dire celles productrices uniquement de toxine gamma
(c’est-à-dire des deux composés HlgA et HlgC de classe S et
du composé HlgB de classe F), il apparaît que l’action pro-
inflammatoire de cette toxine synergo-hyménotrope n’est pas
spécifiquement individualisable en clinique. Cette toxine repré-
sente donc l’une des molécules responsables de la virulence de
S. aureus.
Il est remarquable de noter que, parmi les souches productrices
d’exfoliatine, 85 % produisent, en plus de la toxine gamma, les
composés LukD et LukE des toxines SHT (10). En outre, les
souches productrices de LukD et LukE sont fréquemment aussi
productrices d’entérotoxine A.
Hémolysine delta
"Structure et fréquence. L’hémolysine delta est un petit pep-
tide thermostable de vingt-six acides aminés sécrété par 40 %
des souches de S. aureus d’origine clinique et par 93 % de celles
d’origine animale. Cette toxine peut adopter en milieu hydro-
phobe une structure en hélice alpha amphiphile qui agit comme
un détergent. Le gène codant pour l’hémolysine delta se situe
dans le locus agr, dont le rôle est de réguler la synthèse de nom-
breuses exoprotéines de S. aureus (17). Des séquences nucléo-
tidiques voisines de celles de l’hémolysine delta existent aussi
chez S. epidermidis, S. capitis, S. pasteuri, S. warneri et
S. caprae.
"Activité biologique. Au contact des membranes cellulaires,
des monomères transmembranaires d’hémolysine delta peu-
vent s’agréger et former des pores transmembranaires ou des
micelles composées de fragments membranaires et d’hémoly-
sine delta.
Lorsque cette toxine forme des pores dans la membrane des
granulocytes humains, elle provoque un influx d’ions calcium
et, par un phénomène de cascade, provoque la libération de
médiateurs de l’inflammation (18).
Le gène de l’hémolysine delta ne participe pas à la régulation
globale de la production d’exoprotéines orchestrée par le locus
agr dans lequel il se trouve.
.../...
Y. Piémont 10/03/03 14:58 Page 8