Le fer est un nutriment indispensable à quasiment tous les
organismes vivants, pour des besoins aussi primordiaux que la
respiration et la synthèse d’ADN. On explique ainsi la
non-prolifération bactérienne dans les profondeurs océaniques par
l’absence de fer. La plupart du temps, cependant, la difficulté
pour les micro-organismes de trouver du fer réside dans le fait que
ce dernier est insoluble et/ou inaccessible. Les bactéries, en
particulier le staphylocoque, ont développé diverses stratégies de
capture du fer. Il peut s’agir de la sécrétion de sidérophores
solubles, qui captent le fer externe puis assurent son entrée dans
la bactérie par des transporteurs spécifiques. Il existe aussi des
systèmes d’importation directe de sels de fer. Un premier mécanisme
de défense des organismes supérieurs contre l’invasion bactérienne
est une limitation drastique du fer libre dans le sang et les
tissus. Ce blocage du fer s’effectue majoritairement par sa
fixation sur des protéines qui ont pour lui une forte affinité, la
lactoferrine et la transferrine. Les sites de fixation du Fe3+ de
la transferrine sont, en fait, rarement saturés, laissant toujours
un excès de protéine non saturée sous forme d’apotransferrine et
assurant ainsi l’élimination virtuelle de tout fer libre. Un récent
travail de chercheurs de l’Université de Chicago (États-Unis) a mis
en évidence la stratégie employée par le staphylocoque doré
(Staphylococcus aureus) pour se procurer le fer nécessaire à sa
croissance et à sa différenciation [1, 2]. Pour coloniser son hôte,
le staphylocoque rencontre un premier obstacle : le manque de fer.
La concentration dont il a besoin est de l’ordre de 0,4-4,0 mM,
alors que la concentration de fer libre se situe autour de 10- 9 M.
Deux sources possibles de capture existent dans l’organisme des
mammifères : la transferrine, qui ne représente que 1 % du fer
total, et l’hème, qui en contient plus de 80 %. Les auteurs ont
donc supposé que l’hème devait être utilisé de façon
préférentielle. Afin de vérifier cette hypothèse, un marquage
spécifique des deux protéines par un isotope stable du fer a été
réalisé pour mesurer la consommation de la transferrine [57Fe] et
de l’hémine [54Fe]. Les dosages ont été effectués par une
spectrométrie de masse en source plasma ICP-MS (inductively coupled
plasma-mass spectrometry). Dans une première étape, les bactéries
sont placées sur un milieu pauvre en fer jusqu’à une limitation de
croissance indicatrice de carence martiale, suivie par l’ajout en
quantité équimolaire des deux protéines marquées. Les mesures sont
ensuite effectuées au bout de 9 heures, 12 heures et en phase
stationnaire à 24 heures. Le contenu isotopique des cellules
montre, dans les premières heures, un enrichissement (x 4 à 5) en
fer héminique en même temps qu’un appauvrissement du milieu. Cette
modification des concentrations diminue au cours du temps, mettant
en évidence la régulation progressive des autres systèmes de
capture (à partir de la transferrine ou de sidérophores). La
méthode a aussi permis de préciser la localisation subcellulaire du
fer extrait des deux protéines : le fer héminique se fixerait
sélectivement à la membrane, celui de la transferrine s’orientant
vers le cytoplasme.
Parallèlement à ces mesures isotopiques, une analyse du génome de
S. aureus a montré sept séquences codant potentiellement pour des
transporteurs transmembranaires et présentant une homologie avec
des transporteurs connus. Parmi ceux-ci, certains systèmes avaient
déjà été mis en évidence par le même groupe de chercheurs. Tout un
ensemble de gènes isd A à F (iron-regulated surface determinants)
fonctionne comme système d’import et assure la fixation de l’hème
et son passage dans le cytoplasme [3]. Deux autres gènes isd G et I
codent pour des protéines qui assurent alors la dégradation de
l’hème [4]. Ce travail récent d’inactivation par mutation a permis
d’identifier chez la bactérie un système non encore décrit de
transport de l’hème constitué de trois gènes, hts A, B et C, dont
les homologues ont été décrits dans d’autres bactéries, Yersinia
enterocolica et Corynebacterium diphteriae. En effet,
l’inactivation de ces gènes hts réduit considérablement
l’acquisition de fer héminique. De plus, les auteurs ont montré, 8
nucléotides en amont du codon d’initiation de HtsA, une séquence
homologue de la séquence canonique fixant le répresseur Fur (ferric
uptake regulation) [5], ce qui suppose une régulation de l’activité
des gènes en réponse à une carence en fer. L’existence d’une
exotoxine hémolytique sécrétée par le staphylocoque, démontrée par
ailleurs, permet l’attaque initiale de l’érythrocyte [6].
L’ensemble de ces travaux montre l’efficacité des systèmes mis en
œuvre par le staphylocoque qui doit extraire le fer dans
l’hémoglobine des hématies [2]. On peut élaborer un schéma dont la
première étape est la lyse osmotique des cellules. L’étape suivante
de libération de l’hème pourrait être le fait des enzymes Isd et/ou
être due à une protéase sécrétée ou à une dissociation spontanée de
l’hème par oxydation. Les enzymes IsdG et IsdI effectuent alors
l’import de l’hème libre dans le cytoplasme et libèrent le fer
d’une façon comparable à l’action des oxygénases chez les
mammifères (Figure 1). Il était naturellement important de vérifier
in vivo la validité de ce schéma et de montrer que l’inactivation
des gènes hts atténue la virulence de S. aureus. Ce contrôle a pu
être fait dans deux systèmes modèles, chez le ver Caenorabditis
elegans et chez la souris. Chez C. elegans, l’infection tue
normalement les vers en deux à quatre jours, mais cette mortalité
est réduite de façon significative après inactivation de htsB ou C.
Chez la souris, après inactivation du gène, on constate aussi une
diminution importante des abcès habituellement observés au niveau
du foie et des reins 96 heures après une injection intraveineuse de
la bactérie.
En clinique, on sait que la réponse à une infection bactérienne
entraîne une diminution de la capture du fer et sa séquestration
dans les macrophages. C’est l’hepcidine qui joue le rôle de chef
d’orchestre et qui est alors responsable de la baisse du taux de
fer sérique [7]. Cette réaction de diminution du taux de fer
sérique pourrait jouer un rôle important dans la première ligne de
défense de l’organisme contre l’invasion du pathogène. Du reste, ce
rôle protecteur d’une carence martiale pour empêcher la croissance
d’une bactérie n’avait-il pas été empiriquement pressenti ? Depuis
plus de deux millénaires, les médecins avaient coutume de traiter
les infections graves - des pneumonies en particulier - par des
saignées, « affamant » la bactérie. Cette notion a perduré
puisqu’on retrouve cette recommandation en 1942 dans un manuel de
W. Osler !
Figure 1. Système mis en œuvre par le staphylocoque pour
extraire le fer des globules rouges à partir de l’hémoglobine. La
première étape est la lyse osmotique des cellules. L’étape suivante
de libération de l’hème est réalisée par les enzymes IsdG et IsdI
qui effectuent l’import de l’hème libre dans le cytoplasme et
libèrent le fer d’une façon comparable à l’action des oxygénases
chez les mammifères (d’après [2]).
Références
1. Skaar EP, Humayun M, Bae T, et al. Iron-source of
Staphylococcus aureus infections. Science 2004 ; 305 : 526-8.
2. Rouault TA. Pathogenic bacteria prefer heme. Science
2004 ; 305 : 1577-8.
3. Mazmanian SK, Skaar EP, Gaspar AH, et al. Passage of
heme-iron across the envelope of Staphylococcus aureus. Science
2003 ; 299 : 906-9.
4. Skaar EP, Gaspar AH, Schneewind O. IsdG and IsdI,
heme-degrading enzymes in the cytoplasm of Staphylococcus aureus. J
Biol Chem 2004 ; 279 : 436-43.
5. Escolar L, Perez-Martin J, de Lorenzo V. Coordinated
repression in vitro of the divergent fepA-fes promoters of
Escherichia coli by the iron uptake regulation (Fur) protein. J
Bacteriol 1998 ; 180 : 2579-82.
6. Dinges MM, Orwin PM, Schlievert PM. Exotoxins of
Staphylococcus aureus. Clin Microbiol Rev 2000 ; 13 : 16-34.
7. Ganz T. Hepcidin, a key regulator of iron metabolism
and mediator of anemia and inflammation. Blood 2003 ; 102 :
783-8.
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