Role of PerR regulators in oxidative stress response and virulence of pathogenic leptospira
Institution:
Université de Paris (2019-....)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Pathogen leptospires are responsible for the zoonotic disease leptospirosis. This neglected but emerging infectious disease has a worldwide distribution and affects people from developing countries. More than one million cases of leptospirosis are currently reported annually in the world, with 10% of mortality. Clinical manifestations of this infection range from a febrile state to a severe life-threatening form characterized by multiple organ hemorrhages. However, these symptoms are not specific of leptospirosis, and they render this disease often underdiagnosed. When infecting host, Leptospira are confronted with dramatic adverse environmental changes such as deadly reactive oxygen species (ROS). Withstanding ROS produced by the host cells is a vital strategy evolved by pathogenic Leptospira for persisting in and colonizing hosts. In Leptospira, genes encoding defenses against ROS are under the control of a Peroxide stress Regulator (PerR1), a metalloprotein from the Fur (Ferric uptake regulator) family. One aim of this PhD was to identify the cellular factors solicited by pathogenic Leptospira to adapt to hydrogen peroxide and to determine the contribution of PerR1 in this adaptive response. We have obtained the transcriptome of L. interrogans cells exposed to H2O2.shown that three main peroxidase machinaries (catalase, cytochrome C peroxidase and peroxiredoxin) constitute the first line of defense against H2O2. In addition, canonical chaperones and DNA repair proteins are solicited to prevent and recover from oxidative damage. We have determined the PerR1 regulon and have demonstrated that not all members of the peroxide stimulon are under the control of PerR1. In fact, our study has revelead a regulatory network involving other transcriptional regulators, two-component systems and sigma factors as well as non-coding RNAs that could orchestrate, in cocert with PerR1, this adaptive response. Interestingly, our study has allowed the identification of PerR1-regulated genes encoding a TonB-dependent transport system, a lipoprotein (Lipl48) and a two-component system (VicKR) involved in Leptospira tolerance to superoxide. These factors could represent the first ever identified defense mechanisms against superoxide in L.interrogans, a bacterium lacking canonical superoxide dismutase. By examining the genome of L. interrogans, we identified a second putative PerR (PerR2) specific to the Leptospira pathogenic clade. Another aim of this thesis was to delineate the function of PerR2 and explore its interplay with PerR1 in the Leptospira oxidative stress response and virulence. Comparing the PerR1 and PerR2 regulons suggested that these two regulators do not have a redundant function during oxidative stress response in L. interrogans. Inactivating perR1 in L.interogans leads to an increased tolerance to hydrogen peroxide whereas inactivating perR2 leads to a higher resistance to superoxide; this difference in fitness is consistent with a disctinct function in oxidative stress adaptation. Concomitant inactivation of perR1 and perR2 leads to a higher ability to resist both peroxide and superoxide but, surprisingly, this double perR1perR2 mutant has an attenuated virulence and its ability to infect macrophages was impaired. Interestingly, the transcriptome of the double perR1perR2 mutant exhibited deregulation in several genes associated with Leptospira virulence. Altogether, our study has uncovered the complex regulatory network of the adaptive response to ROS in Leptospira and revealed the interplay between the PerR1 and PerR2, necessary for the defense against ROS and virulence in pathogenic Leptospira.
Abstract FR:
La leptospirose est une zoonose de répartition mondiale qui touche tous les mammifères, dont l’homme, et qui est causée par les bactéries leptospires. La leptospirose se présente sous une forme modérée pseudo-grippale qui peut évoluer vers une forme sévère caractérisée par des atteintes et des hémorragies multiviscerales. On compte dans le monde un million de cas de leptospirose chaque année avec 10% de mortalité. Lors de l’infection, les leptospires sont soumis aux oxydants produits par l’hôte et l’habilité des leptospirose à résister à la présence de ces oxydants est primordiale pour coloniser un hôte. Chez les leptospires, les gènes codant pour les preoxydases sont réprimés par le régulateur transcriptionel PerR1. Un des objectifs de cette thèse a été d’identifier les mécanisms utilisés par les leptospires pathogènes pour s’adapter à la présence d’oxydants. Nous avons détermine le transcriptome de L. interrogans en présence de peroxyde d’hydrogène et avons montré que trois peroxydases (catalase, cytochrome C peroxydase et la peroxyredoxine) sont les facteurs cellulaires sollicités par les leptospires pour éliminer peroxyde d’hydrogène. De plus, les chaperones moléculaires et des protéines du système de réparation de l’ADN sont impliqués dans la prévention et la réparation des dommages engendrés par l’oxydation. Nous avons identifié les gènes régulés par PerR1, ce qui a révélé que les gènes régulés par le peroxyde d’hydrogène ne sont pas tous sous le control de PerR1. Parmi les gènes du régulon de PerR1, nous avons identifié des gènes codants respectivement pour un recepteur de type TonB, FecA, une lipoprotein LipL48, ainsi que pour le système à deux composants VicKR. Nous avons montré que ces facteurs sont impliqués dans la survie des leptospires en présence de superoxide. Ces facteurs pourraient participer aux mécanismes de défense contre le superoxide chez les leptospires pathogénes, des bactéries qui ne possèdent pas de superoxyde dismutase. Nous avons identifié un deuxième régulateur PerR putatif, spécifique des souches de leptospires pathogènes, PerR2. Un autre obectif de cette thèse a été de déterminer la fonction de PerR2 et de déterminer si ces deux régulateurs coopèrent dans la virulence et l’adaptation des leptospires pathogènes au stress oxydatif. L’étude du régulon de PerR2 et le phénotype d’un mutant perR2 en présence d’oxydant indique que PerR1 et PerR2 ont des fonctions distinctes et non redondantes dans la survie des leptospires en présence d’oxydants. L’inactivation de perR2 augmente la capacité des leptospires à tolérer des doses létales de superoxyde alors que L’inactivation de perR1 entraine une meilleure survie des leptospires en présence de perroxyde d’hydrogene. L’inactivation simultanée de perR1 et perR2 entraîne entraine une meilleure tolérance des leptospires au peroxyde d’hydrogène et au superoxyde et une diminution de la virulence des leptospires et de leur capacité à infecter des macrophages. L’étude transcriptomique du double mutant perR1perR2 a révélé que l’inactivation simultanée de perR1 et perR2 entraîne la dérégulation de plusieurs gènes associée à la virulence des leptospires.L’ensamble de ces résultats a dévoilé pour la première fois chez les leptospires le réseau de régulation permettant l’adaptation de ces bactéries pathogènes aux oxydants auxquelles elles sont exposées lors de l’infection d’un hôte. La coopération de deux régulateurs PerRs semble primordiale à la virulence des leptospires.