Leptospires and vitamin K : Identification and characterisation of new virulence mechanisms
Leptospires et vitamine K : identification et caractérisation de nouveaux mécanismes de virulence
Résumé
Leptospirosis is a re-emerging bacterial zoonosis that is widely distributed, caused by a spirochete belonging to the genus Leptospira. Its epidemiological cycle is complex, involving humans as accidental hosts. This disease has a significant impact on both humans and animals. Endemic mainly in tropical and intertropical regions, an increasing number of cases are being reported in developed countries. It affects almost one million people annually, yet its true incidence is underestimated due to the polymorphism of its clinical presentation. This ranges from the anicteric febrile syndrome observed in the majority of cases to potentially fatal multivisceral failures. The implementation of rapid and trustworthy diagnostics, patient management, and the development of optimal vaccines are fundamental aspects that need to be improved. Treatment of the ailment relies on administering a broad spectrum of antibiotics, whose effectiveness in severe cases hinges on early prescription. Furthermore, due to the growing concern surrounding antibiotic resistance as a significant public health issue, it is imperative to have alternative approaches readily available. This is particularly crucial considering the vast range of bacterial strains, which further complicates the comprehension of their virulence mechanisms. With this in mind, an examination of the L. interrogans genome revealed the existence of a gene, VKOR, very similar to the mammalian VKORC1 gene, which is involved in the vitamin K cycle. VKORC1 plays a role in protein folding and is inhibited by antivitamin K (AVK) anticoagulants in mammals and select bacteria. In leptospires, VKOR may be involved in the formation of disulphide bridges, which are essential for motility and virulence. We initiated our study by conducting a sequence alignment analysis to demonstrate VKOR's presence across the Leptospira genus, with some variations depending on the leptospires' strain. Absence of structural data led us to employ in silico techniques to generate a 3D model of VKOR at the atomic level. We then utilized molecular dynamics simulations to identify potential substrates of VKOR, select cysteine residues most likely to form disulphide bridges, and determine those that contribute significantly to the interactions. Secondly, we have developed a protocol for characterising the enzymatic activity of leptospiral VKOR using mammalian VKORC1 as a model. This is based on the redox system which combines the reductant NADPH with the proteins Thioredoxin reductase (TrxR) and Thioredoxin1 (Trx). Based on the hypothesis that VKOR inhibition could have repercussions on the motility of leptospires, we have created a trajectory reconstruction technique employing videomicroscopy and a Python script to observe the motile conduct of leptospires in the presence of VKOR inhibitors. Two field studies on the carriage of leptospirosis in ground voles (Arvicola terrestris) in Puy-de-Dôme and brown rats (Rattus norvegicus) in Lyon and Bordeaux enabled us to acquire new bacterial strains suitable for testing the efficacy of our method. These studies facilitated an evaluation of the potential risk for leptospirosis transmission from these rodents to humans in the respective study areas. As the main aim of our research is to identify potential new genetic markers for leptospires, this study opens the way to a new therapeutic target that can be inhibited by antivitamin K anticoagulants.
La leptospirose est une zoonose bactérienne re-émergente ubiquitaire causée par un spirochète appartenant au genre Leptospira. Son cycle épidémiologique est complexe faisant intervenir l’Homme en tant qu’hôte accidentel. Elle entraine des répercussions significatives aussi bien chez les humains que chez les animaux. Endémique surtout dans les régions tropicales et intertropicales, de plus en plus de cas sont rapportés dans les pays développés. Elle touche près d’un million de personnes par an mais son incidence réelle reste sous-estimée au regard du polymorphisme de son tableau clinique allant d’un syndrome fébrile anictérique observé dans la grande majorité des cas à des défaillances multiviscérales potentiellement mortelles. La mise en place de moyens de diagnostics de certitude rapides et fiables, de prise en charge des patients et d’élaboration de vaccin optimal sont des aspects fondamentaux à améliorer. Le traitement de la maladie repose sur l’administration de nombreux antibiotiques dont l’efficacité dans les cas graves est sujette à une prescription précoce. De plus, face à la recrudescence des problèmes d’antibiorésistance devenant de nos jours un véritable problème de santé publique, il apparaît donc fondamental de disposer de moyens alternatifs d’autant plus que la grande diversité de souches bactériennes complexifie d’avantage la compréhension de leurs mécanismes de virulence. Dans cette perspective, une analyse du génome de L. interrogans a montré l’existence d’un gène, VKOR, très proche du gène VKORC1 retrouvé chez les mammifères et impliqué dans le cycle de la vitamine K. La VKORC1 joue un rôle dans le repliement des protéines et est inhibée par les anticoagulants antivitamines K (AVK) chez les mammifères et certaines bactéries. Chez les leptospires, elle pourrait être impliquée dans la formation de ponts disulfures indispensables à leur motilité et à leur virulence. Nous avons dans un premier temps montré par analyse d’alignement de séquences la présence de la VKOR dans tout le genre Leptospira avec une certaine variabilité suivant la souche de leptospires. En l’absence de données structurales, nous avons construit, par des méthodes in silico, un modèle 3D de la VKOR à l'échelle atomique. Des simulations de dynamique moléculaire de la protéine ont permis d’identifier les substrats potentiels de la VKOR, les résidus de cystéine les plus susceptibles de former des ponts disulfures, ainsi que ceux qui contribuaient fortement aux interactions. Dans un second temps, nous avons mis au point un protocole qui pourra servir à la caractérisation de l’activité enzymatique de la VKOR des leptospires, à partir de la VKORC1 des mammifères. Celui-ci est basé sur le système redox combinant le réducteur NADPH et les protéines Thioredoxin reductase (TrxR) et Thioredoxin1 (Trx). Partant du postulat que l’inhibition de la VKOR pourrait avoir des répercussions sur la motilité des leptospires, nous avons mis au point une méthode de reconstitution de trajectoires basée sur la vidéomicroscopie et l’implémentation d’un script Python afin de suivre le comportement motile des leptospires en présence d’inhibiteurs de la VKOR. Deux études de terrain sur le portage leptospirosique de campagnols terrestres (Arvicola terrestris) dans le Puy-de-Dôme et de rats bruns (Rattus norvegicus) à Lyon et Bordeaux ont permis l’acquisition de nouvelles souches bactériennes pour les tests d’application de notre méthode. Ces deux études ont permis d’évaluer le risque potentiel de transmission de la leptospirose de ces rongeurs à l’homme dans les zones étudiées. Le but principal de nos travaux étant de mettre en évidence de nouveaux marqueurs génétiques potentiels des leptospires, cette étude ouvre la voie à une nouvelle cible thérapeutique inhibable par les anticoagulants antivitamines K.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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