Escherichia Coli : Nutrition et Métabolisme

Escherichia coli, souvent abrégé en E. coli, est une bactérie intestinale des organismes à sang chaud. C'est une bactérie Gram négatif, du genre Escherichia, en forme de bâtonnet appelée parfois colibacille. E. coli est une bactérie aéro-anaérobie. C’est un hôte commun du microbiote intestinal (anciennement appelé microflore commensale intestinale) de l’humain et des animaux homéothermes. Son établissement dans le tractus digestif s’effectue durant les premières heures ou journées qui suivent l’accouchement. Escherichia coli constitue alors tout au long de la vie de l’hôte l’espèce bactérienne dominante de la flore aérobie facultative intestinale.

Rôle dans l'Obésité et les Maladies Métaboliques

Alors que la prévalence de l’obésité et des troubles métaboliques associés augmente partout dans le monde, une modification du régime alimentaire ne suffit pas pour une grande partie des patients. Comprendre l’impact d’autres facteurs environnementaux s’avère crucial pour développer d’autres stratégies thérapeutiques. De nombreuses études soulignent une association entre dysbiose du microbiote intestinal et progression de l’obésité, qui pourrait au moins en partie expliquer les variations interindividuelles de susceptibilité aux maladies métaboliques. Il est bien admis qu’une alimentation riche en graisses, en particulier saturées, augmente le risque d’obésité et de ses comorbidités métaboliques.

Une équipe japonaise s’est intéressée aux Lachnospiraceae, une famille bactérienne du microbiote intestinal associée à l’obésité et au diabète de type 2 dans de précédentes études. Afin de mettre en évidence un potentiel lien causal entre cette espèce et l’obésité, les chercheurs ont comparé des souris dont le microbiote intestinal a été colonisé par Escherichia coli et F. intestini ou par E. coli seulement, nourries avec un régime normal ou riche en graisses. Ils ont constaté une augmentation du poids et de graisse corporelle significative uniquement chez les souris soumises au régime riche en graisses et colonisées par F. intestini, même en très faible quantité. De plus, celles-ci présentaient une élévation du taux de cholestérol plasmatique ainsi que de l’expression de TNF-α pro-inflammatoire, de protéines de liaison aux lipopolysaccharides et de gènes codant pour la leptine. En colonisant des souris gnotobiotiques par F. intestini et 9 espèces représentatives du microbiote humain, les chercheurs ont retrouvé cette prise de masse grasse.

Ces résultats suggèrent qu’un apport élevé en graisses alimentaires et F. Les chercheurs ont découvert que F. intestini produisait en abondance divers acides gras à longue chaîne. Soumis au régime riche en graisses, le microbiote intestinal colonisé par cette bactérie contenait deux fois plus d’élaïdate, un acide gras trans qui est connu pour augmenter le risque de maladies cardiovasculaires, obésité et la résistance à l’insuline. Il présentait également davantage d’acides gras saturés comme le palmitate, le stéarate et le margarate. Selon les chercheurs, l’alimentation riche en graisses engendre une surexpression de gènes microbiens impliqués dans la production de lipides, notamment FadR (Fatty acid metabolism regulator) qui régule le métabolisme des acides gras. Leurs analyses sanguines et tissulaires suggèrent que métabolites de F. Cette étude met en lumière l’un des mécanismes moléculaires liant microbiote intestinal et obésité par surproduction de métabolites lipidiques.

Adaptation Métabolique d'Escherichia Coli

Des chercheurs de l’Institut Weizmann ont inversé le métabolisme de la bactérie Escherichia coli pour lui faire produire du sucre à partir du dioxyde de carbone. Le carbone contenu dans les molécules des êtres vivants provient du dioxyde de carbone de l’environnement. Certains organismes, comme les plantes vertes, sont capables de fixer ce carbone pour fabriquer leurs propres constituants et sont ainsi à la base de la pyramide alimentaire. Au-dessus se trouvent d’autres organismes qui consomment les molécules complexes produites par les premiers et rejettent du dioxyde de carbone. Le Dr Antonovsky de l’équipe du Prof. Les chercheurs ont ainsi intégré dans cette petite bactérie tous les gènes codant la machinerie cellulaire permettant de transformer le dioxyde de carbone en sucre.

L’objectif fut non seulement de faire exprimer ces gènes à la bactérie mais aussi de réguler son expression de façon à ce que celle-ci n’ait pas d’effet toxique. Ces deux conditions n’ont cependant pas suffi. En effet, E. coli a l’habitude de se nourrir de sucre et non de dioxyde de carbone. Pour produire du sucre, la bactérie préférait donc utiliser comme carburant du sucre ! Pour faire face à ce problème, les chercheurs ont cultivé pendant plusieurs mois la bactérie E. coli dans un environnement ne contenant quasiment pas de sucre pour la forcer à changer de comportement. Les chercheurs ont ensuite étudié ces « nouvelles » bactéries pour comprendre leur fonctionnement. Un grand nombre de mutations a alors été observé dans le génome de ces bactéries mais il reste difficile de comprendre quelles mutations sont nécessaires à la reconversion métabolique. Ces bactéries philosophales représentent toutefois un beau succès pour la recherche en ingénierie biologique.

Source : Sugar synthesis from CO2 in Escherichia coli, N. Antonovsky et al., Cell 2016.

La Répression Catabolique (RC)

La répression catabolique permet aux bactéries, mais aussi aux levures ou champignons, une utilisation préférentielle des sources de carbone. Ce phénomène se traduit par une croissance diauxique durant laquelle les bactéries assimilent d’abord les sources de carbone rapidement métabolisables, puis les sources de carbone non préférentielles. Divers mécanismes moléculaires sont responsables de la répression catabolique et contrôlent non seulement l’expression de gènes impliqués dans l’utilisation de sources de carbone alternatives, mais aussi l’expression de plusieurs gènes impliqués dans des processus cellulaires variés.

La répression catabolique (RC) est un phénomène mis en place lorsque des bactéries, mais aussi des levures ou des champignons, sont cultivées en présence de deux (voire plusieurs) sources de carbone. Appelée aussi « effet glucose », elle est l’un des mécanismes les plus conservés chez les microorganismes. Elle les protège d’un gaspillage d’énergie en leur évitant de synthétiser des protéines superflues dans des conditions données. Chez les bactéries, cela se traduit par une courbe de croissance biphasique (Figure 1). Ce phénomène, mis en évidence par Jacques Monod en 1942, s’appelle diauxie [1].

Après une première phase de croissance exponentielle, due à l’utilisation par les bactéries de l’hydrate de carbone le plus rapidement métabolisable (généralement le glucose, mais pas toujours [2]), la croissance s’arrête puis reprend à nouveau, de façon exponentielle, grâce à l’utilisation d’une autre source de carbone présente dans le milieu de culture. Cette utilisation hiérarchique des hydrates de carbone est due à l’inhibition de la synthèse des enzymes impliquées dans le catabolisme des sources de carbone non-préférentielles, d’où le nom de répression catabolique. Lorsque des bactéries, telles que E. coli, sont cultivées sur milieu contenant deux sucres comme le glucose et le lactose, elles utilisent en priorité le glucose.

Celui-ci est métabolisé par des enzymes synthétisées de façon constitutive alors que la synthèse des enzymes nécessaires à l’utilisation du lactose est réprimée (phénomène de répression catabolique ou RC). Or, la RC est un mécanisme de régulation global ayant un impact majeur sur la physiologie bactérienne. Non seulement elle intervient dans l’inhibition de l’expression de gènes impliqués dans le transport et le métabolisme des sources de carbone non préférentielles, mais elle affecte aussi l’expression de nombreux gènes impliqués dans des processus variés. En particulier, il a clairement été établi, chez plusieurs espèces bactériennes pathogènes tels que Staphylococcus aureus ou Listeria monocytogenes, que RC et virulence étaient étroitement imbriquées [3]. Chez Bacillus subtilis, l’expression de 10 % des gènes est régulée par le glucose [4].

Ce phénomène de RC prend particulièrement de l’importance lorsqu’il y a compétition entre plusieurs microorganismes dans des milieux naturels, puisque l’utilisation de sources de carbone préférentielles est un facteur déterminant dans le taux de croissance bactérienne [5]. De fait, la RC a des implications en biotechnologie comme les biotransformations, l’utilisation d’usines bactériennes et la bioremédiation, etc. Le phénomène de RC, initialement décrit pour B. subtilis [1], a fait l’objet d’études approfondies chez plusieurs bactéries. Il a été d’abord bien caractérisé chez Escherichia coli [8].

Le système des phosphotransférases (PTS), découvert il y a plus de 50 ans [9, 10], transporte et phosphoryle de façon concomitante un certain nombre d’hydrates de carbone chez de nombreuses bactéries et certaines archaea. Il est généralement composé de plusieurs phosphotransférases : l’enzyme I (EI), la protéine HPr (histidine-containing protein), et plusieurs complexes multi-protéiques formant les enzymes II (EII). Les protéines EI et HPr sont solubles et impliquées dans l’incorporation de la plupart des substrats du PTS. En revanche, les EII, constituées de protéines cytoplasmiques (EIIA et EIIB) et transmembranaires (EIIC et éventuellement EIID), sont habituellement spécifiques d’un substrat donné ou d’un petit groupe de sucres étroitement apparentés (Figure 2). Les protéines EI et HPr sont généralement synthétisées de façon constitutive alors que la synthèse des complexes EII est induite par la présence du sucre transporté par le PTS (sucre-PTS) dans le milieu extracellulaire.

La première étape du transport et de la phosphorylation concomitante d’un sucre-PTS est l’autophosphorylation d’EI à partir d’un donneur de phosphate très riche en énergie, le phosphoénolpyruvate (ou PEP) [11]. L’EI phosphorylée (P~EI) transfère ensuite son groupement phosphate à HPr. P~HPr transmet à son tour son phosphate à une EIIA, qui phosphoryle l’EIIB correspondante. Tous ces phosphotransferts à haute énergie sont réversibles et se produisent au niveau d’histidines, à l’exception des protéines EIIB pour lesquelles, habituellement, c’est une cystéine qui est phosphorylée. À la dernière étape, P~EIIB transfère son groupement phosphate à l’hydrate de carbone complexé et transporté par l’EIIC.

Exemple de trois systèmes des phosphotransférases (PTS) chez B. subtilis. Le PTS est généralement composé des protéines solubles Enzyme I (EI) et HPr (histidine-containing protein) qui sont impliquées dans l’incorporation de la plupart des substrats PTS, alors que les Enzymes II (EII) sont spécifiques d’un substrat ou d’un petit groupe de sucres donnés. Pour indiquer la spécificité des EII, une abréviation de trois lettres du substrat transporté est ajoutée en exposant au domaine EII correspondant. Ces EII sont constitués de protéines cytoplasmiques (EIIA et EIIB) et d’une, voire deux, protéines transmembranaires (EIIC et EIID). Le transport et la phosphorylation concomitante des sucres-PTS sont réalisés via des réactions de phosphotransferts, le donneur de phosphate étant le phosphoénolpyruvate (ou PEP). À la dernière étape, P-EIIB transfère son groupe phosphate à l’hydrate de carbone complexé et transporté par l’EIIC ou l’EIICD.

Chez les firmicutes, la protéine HPr est phosphorylée non seulement au niveau de l’histidine en position 15 (His-15), à partir de PEP et par EI, mais également au niveau de la sérine en position 46 (Ser-46), à partir d’ATP et par l’HPr kinase/phosphorylase (HPrK/P) [12, 13]. La phosphorylation d’HPr à partir d’ATP n’est pas impliquée dans l’incorporation et la phosphorylation des sucres, mais a des fonctions régulatrices, en particulier dans la RC [14]. Les entérobactéries telles qu’E. La RC chez E.

Chez E. coli et chez les Enterobacteriaceae, l’un des acteurs majeurs de la RC est l’EIIAGlc, un constituant de l’EII impliquée dans le transport du glucose. Plus précisément, c’est l’état de phosphorylation de l’EIIAGlc qui contrôle la RC ; celui-ci semble être principalement déterminé par le rapport des concentrations intracellulaires de PEP et de pyruvate. En effet, lorsqu’un sucre rapidement métabolisable tel que le glucose est disponible, le rapport [PEP]/[pyruvate] est faible, et l’EIIAGlc est présente principalement sous sa forme non phosphorylée [15]. Ainsi, elle ne peut stimuler l’adénylate cyclase et/ou inhiber l’AMPc phosphodiestérase [16]. La concentration d’AMPc intracellulaire est donc faible.

Le régulateur transcriptionnel CRP (cAMP receptor protein, également connu sous le nom de CAP [catabolite activator protein]), qui doit interagir avec l’AMPc pour pouvoir se lier à l’ADN, ne peut alors pas reconnaître ses séquences d’ADN cibles [17] ; l’expression des opérons sensibles à la RC n’est donc pas induite (Figure 3). En revanche, en présence de sucres qui ne sont pas transportés par le PTS, ou des sucres-PTS lentement métabolisables, l’EIIAGlc est présente principalement sous sa forme phosphorylée et peut ainsi stimuler la synthèse d’AMPc [15]. Le complexe AMPc/CRP peut se lier à ses séquences promotrices spécifiques, augmenter l’affinité de l’ARN polymérase pour les promoteurs, et ainsi induire l’expression des opérons sensibles à la RC en présence d’un inducteur.

Par exemple, lorsque du glucose et du lactose sont tous deux présents dans le milieu de culture, le glucose doit être consommé pour permettre la liaison du complexe AMPc/CRP à l’ADN, tandis que le lactose intracellulaire est nécessaire pour décrocher le répresseur lactose de sa séquence opératrice. Lorsque ces deux conditions sont remplies, la transcription des gènes dépendant du lactose est alors induite [18].

La RC et l’exclusion de l’inducteur chez E. coli. Lorsqu’un sucre rapidement métabolisable tel que le glucose est disponible, l’EIIAGlc est présente principalement sous forme non phosphorylée. Elle ne peut stimuler l’adénylate cyclase et/ou inhiber l’AMPc phosphodiestérase [16]. La concentration d’AMPc intracellulaire est donc faible. Le régulateur transcriptionnel CRP (cAMP receptor protein, également connu sous le nom de CAP [catabolite activator protein]), qui doit interagir avec l’AMPc pour pouvoir se lier à l’ADN, ne peut reconnaître ses séquences d’ADN cibles ; l’expression des opérons sensibles à la répression catabolique (RC) n’est pas induite.

De plus, l’EIIAGlc non phosphorylée peut interagir avec MalK, la protéine fixant les nucléotides (NBP) de l’ABC transporteur du maltose, et inhiber ainsi le transport de cet hydrate de carbone. Le maltose n’étant plus incorporé à l’intérieur de la bactérie, il ne va pas y avoir induction des gènes impliqués dans l’utilisation de ce sucre.

Des données récentes concernant des Vibrionaceae, qui, comme E. coli appartiennent aux γ-protéobactéries, semblent modifier un peu ce dogme [19]. En effet, il semblerait que le complexe AMPc-CRP de Vibrionaceae joue son rôle métabolique habituel. Cependant, les variations du taux d’AMPc ne paraissent pas dépendre de la régulation de l’activité de l’adénylate cyclase par EIIAGlc, mais elles seraient dues à l’export et à la dégradation de l’AMPc. De plus, bien que la protéine CRP nécessite d’être complexée à l’AMPc pour interagir avec ses séquences d’ADN cibles, son activité peut être régulée en réponse au glucose par un mécanisme inconnu indépendant de l’AMPc intracellulaire.

Pendant de nombreuses années, le mécanisme moléculaire de la RC chez les Enterobacteriaceae, découvert dans les années 1970 et fondé sur l’absence d’activation transcriptionnelle des gènes cataboliques par le complexe AMPc/CRP, a été considéré comme universel. Cependant, il existe des bactéries Gram-positives ne synthétisant pas d’AMPc, et un mécanisme de RC différent a été découvert vingt ans plus tard chez B. subtilis [20-22]. Chez cette bactérie et chez d’autres firmicutes, un autre composant du PTS joue un rôle central dans la RC. Il s’agit de la protéine HPr et plus précisément de son état de phosphorylation (Figure 4).

En effet, en plus de sa phosphorylation de l’His-15 en présence d’un sucre-PTS lors des phosphotransferts décrits précédemment, la protéine HPr peut également être phosphorylée sur la Ser-46 à partir d’ATP. Toutefois, selon les espèces bactériennes, ces deux phosphorylations ne sont pas toujours compatibles in vivo. Lorsqu’un sucre rapidement métabolisable est disponible, tel que le glucose ou le fructose, la glycolyse est active et le taux de fructose 1,6 bis-phosphate (FBP) est élevé. Ce métabolite est capable d’interagir avec l’HPrK/P afin de stimuler fortement son activité kinase [12, 23]. L’HPrK/P est une enzyme bifonctionnelle atypique qui catalyse la phosphorylation d’HPr sur son résidu Ser-46 ainsi que sa déphosphorylation [24].

Lorsque la concentration intracellulaire de FBP est élevée, HPr est présente principalement sous sa forme séryl-phosphorylée et peut ainsi interagir avec le régulateur transcriptionnel CcpA (catabolite control protein A) [20]. Le complexe protéique P-Ser-HPr/CcpA peut ainsi se lier efficacement à ses sites opérateurs spécifiques, appelés cre (catabolite-responsive element), afin d’inhiber l’expression des opérons sensibles à la RC [8]. En effet, dans la plupart des cas, CcpA seul ne se lie pas bien aux séquences cre et ne peut réprimer l’expression des opérons sensibles à la RC (Figure 4). Ces séquences cre sont des semi-palindromes fortement dégénérés, avec une séquence consensus mal conservée [25].

Une analyse bioinformatique indique que le génome de B. subtilis possèderait 126 sites cre (certains connus, d’autres putatifs) [26], et une analyse transcriptomique d’un mutant ccpA cultivé en présence ou en l’absence de glucose, a montré que 10 % des gènes de B. subtilis étaient régulés par CcpA et soumis à la RC [4]. Ceci indique que la RC est un mécanisme de régulation globale affectant de nombreux gènes et opérons, certains n’étant pas impliqués dans le métabolisme du carbone. L’affinité du complexe P-Ser-HPr/CcpA pour ses cibles ADN dépend des caractéristiques des cre comme leur localisation par rapport au site d’initiation de la transcription, ou la position spécifique de certaines bases [27]. CcpA agit principalement comme un répresseur, mais fonctionne parfois aussi comme un activateur selon la localisation des cre.

En effet, lorsque ceux-ci chevauchent le promoteur, le complexe P-Ser-HPr/CcpA a un rôle répresseur en empêchant la liaison de la machinerie de transcription au promoteur (c’est le cas le plus fréquent). Lorsque les cre sont situées en amont du promoteur, le complexe P-Ser-HPr/CcpA a, en revanche, un effet activateur. Ainsi, chez les firmicutes, le mécanisme moléculaire de RC ne repose pas sur l’absence d’activation transcriptionnelle comme chez les Enterobacteriaceae, mais est généralement dû à une répression active des gènes cataboliques.

La RC chez B. subtilis. L’incorporation de glucose (ou de fructose) conduit à une augmentation de la concentration intracellulaire de fructose 1,6 bis-phosphate (FBP). Ce métabolite stimule l’activité kinase de l’HPr (histidine-containing protein) kinase/phosphorylase (HPrK/P) et donc la phosphorylation ATP-dépendante d’HPr et de Crh (catabolite repression HPr) au niveau du résidu Ser-46. Seules les formes séryl-phosphorylées de HPr et Crh peuvent interagir avec CcpA (catabolite control protein A). Certains bacilles et certaines clostridies possèdent une protéine supplément...

Les chercheurs de l’Inserm et de l’université de Rouen montrent également comment ces protéines injectées dans des souris et des rats agissent sur le cerveau, en réduisant l’appétit. Cette découverte indique que les bactéries intestinales pourraient réguler la quantité de nourriture que nous ingérons et les moments auxquels nous avons faim.(c) FotoliaLe modèle actuel de régulation de l’appétit implique des hormones de l’intestin qui signalent aux neurones lorsque nous avons faim ou quand nous sommes rassasiés. Pour la première fois, l’influence des protéines bactériennes sur l’émission de signaux de l’intestin au cerveau a été observée.

« Notre étude montre que les protéines bactériennes sécrétées par les E.coli peuvent être impliquées dans les voies moléculaires utilisées par l’organisme pour signaler la sensation de satiété.» explique Sergueï Fetissov de l’unité mixte de recherche « Nutrition, inflammation et dysfonction de l’axe intestin-cerveau » (Inserm / Université de Rouen).Les chercheurs ont constaté qu’après 20 minutes passées à consommer des nutriments et à proliférer, les bactéries E.coli présentes dans l’intestin de rats produisent des protéines différentes de celles sécrétées avant d’être nourries. L’intervalle de 20 minutes semble coïncider avec le temps nécessaire à une personne pour commencer à ressentir une sensation de satiété ou de fatigue après un repas. Suite à cette observation, l’équipe de recherche a établi le profil des protéines bactériennes avant et après la prise alimentaire.

L’injection de faibles doses de protéines bactériennes produites après un repas chez des rats et des souris affamés s’est accompagnée d’une réduction de la quantité d’aliments ingérés lorsqu’ils ont été à nouveau exposés à de la nourriture à volonté. Une analyse plus poussée révèle que ces protéines bactériennes « rassasiées » stimulent la libération de peptide YY, une hormone associée à la satiété. A l’inverse, les protéines bactériennes « affamées » stimulent la production de peptides GLP-1, une hormone connue pour favoriser la sécrétion d’insuline.

Une analyse qui visait à détecter la présence d’une des protéines bactériennes « rassasiées », appelée ClpB[1] dans le sang des animaux est venue compléter ces résultats. Les chercheurs ont constaté que le taux plasmatique de ClpB dépendait de l’expression de l’ADN ClpB dans l’intestin. Ceci suggère l’existence d’un lien entre la composition bactérienne et la régulation de l’appétit de l’hôte. Par ailleurs, ClpB augmente l’activité de neurones qui réduisent l’appétit.

« Les bactéries participent physiologiquement à la régulation de l’appétit immédiatement après l’ingestion d’aliments en multipliant et en stimulant la sécrétion d’hormones de la satiété dans l’intestin », conclut Serguei Fetissov.

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