Les micro-organismes ont depuis fort longtemps colonisé l’ensemble des niches écologiques du globe. Impliqués dans de nombreux processus biologiques, ils sont essentiels à la vie de tout organisme. La cohabitation entre les microbes et les autres formes vivantes se passe le plus souvent sans dommage et peut être mutuellement profitable comme dans le cas des interactions symbiotiques. Certaines espèces de microorganismes sont pathogènes et peuvent induire des dérèglements biologiques importants chez l’hôte infecté et, dans certains cas, provoquer sa mort. Le maintien d’une certaine harmonie dans le monde vivant nécessite donc un équilibre entre les organismes qui cherchent à se protéger des agents infectieux et les microbes qui tentent de contourner les défenses de l’hôte. Confrontées aux mêmes grands groupes de microorganismes (bactéries, virus, champignons, levures…), les espèces animales et végétales ont développé, au cours de l’évolution, des systèmes de défense qui leur sont propres. Si les mécanismes moléculaires mis en œuvre diffèrent, les buts à atteindre sont les mêmes. L’organisme hôte doit identifier l’agresseur, puis le neutraliser.

Les organismes unicellulaires n’ont pour se défendre que la phagocytose de l’envahisseur et sa destruction par des enzymes intracellulaires. Cette simplicité relative contraste avec l’extraordinaire complexité du système immunitaire des vertébrés qui a la propriété de pouvoir adapter sa réponse à la nature du micro-organisme infectieux. Fondée sur la diversité moléculaire des immunoglobulines et des récepteurs des lymphocytes T, cette immunité dite adaptative n’est fonctionnelle que quelques jours, voire quelques semaines après l’infection. Entre temps, l’infection a été combattue par l’immunité innée qui bien que moins spécifique, est néanmoins très efficace. Elle fait intervenir la phagocytose, les réactions inflammatoires avec la production de cytokines et l’activation du complément [1].

Les invertébrés en général et les insectes en particulier ne disposent pour se défendre que de la réponse immunitaire innée. L’ancienneté évolutive et l’extraordinaire diversité des insectes témoignent de l’efficacité de ce type d’immunité. Comme ce fut le cas pour de nombreux processus biologiques et en particulier pour l’étude du développement, la drosophile (littéralement « qui aime la rosée »), mouche du vinaigre pour les non initiés et mouche des fruits pour les Anglo-Saxons, s’est révélée être un modèle de choix pour disséquer les mécanismes moléculaires de l’immunité des invertébrés. Nous évoquerons ici des résultats récents qui permettent de mieux appréhender la phase de reconnaissance des micro-organismes lors de leur pénétration dans l’organisme.

Dépourvus des gènes codant pour les anticorps, les insectes luttent contre les agents infectieux à l’aide de peptides dont la taille varie de 20 à 50 acides aminés [2]. Regroupés en sous-familles en fonction des micro-organismes contre lesquels ils sont actifs, les peptides antimicrobiens sont synthétisés par les cellules du corps gras et déversés dans l’hémolymphe à la suite d’une infection. Chez la drosophile, deux voies de signalisation indépendantes régulent la synthèse de la totalité des peptides antimicrobiens [3]. La voie Imd contrôle la production des peptides dirigés contre les bactéries à Gram négatif alors que la voie Toll joue un rôle central dans la réponse contre les bactéries à Gram positif et les champignons [4, 5]. Découverte pour son rôle dans la mise en place de la polarité dorso-ventrale de l’embryon, la voie Toll est bien caractérisée au niveau moléculaire [6]. Le ligand Spätzle (Spz) est présent à l’état de précurseur immature dans l’espace périvitellin qui entoure l’embryon. L’activation d’une cascade de protéases extracellulaires provoque le clivage protéolytique de Spz et engendre un ligand actif capable de provoquer la dimérisation du récepteur transmembranaire Toll. Cette activation déclenche des réactions cytoplasmiques dont la conséquence ultime est la translocation nucléaire du facteur de transcription Dif, un membre de la famille Rel/NF-κB [7] (figure 1). Les drosophiles porteuses de mutations dans un des composants de la voie Toll présentent une sensibilité très prononcée pour les champignons ou les bactéries à Gram positif [2]. Ce phénotype s’accompagne d’une incapacité à produire certains peptides antimicrobiens. La voie Toll est donc impliquée dans deux fonctions totalement distinctes : la mise en place de l’axe dorso-ventral pendant l’embryogenèse et la réponse immunitaire chez l’adulte.

Figure 1. Implication de la voie Toll dans la réponse immunitaire de la drosophile. Cette voie de signalisation peut être activée par deux micro-organismes, les bactéries à Gram positif et les champignons. La protéine PGRPSA/semmelweis est essentielle à la reconnaissance des bactéries à Gram positif lors de leur entrée dans l’organisme. Cette protéine ne joue aucun rôle dans la réponse antifongique. La nature des protéases situées entre le PGRP-SA et Spz reste à découvrir. Aucune des protéines en amont de Spz dans la réponse antifongique n’a encore été identifiée. Lors de son activation par Spz, Toll induit l’expression des peptides antimicrobiens dans les cellules du corps gras via la translocation nucléaire d’une molécule de type NF-κB

Si les composants intracellulaires des cascades de signalisation Toll et Imd sont aujourd’hui bien caractérisés, les protéines en amont de ces voies et plus particulièrement les molécules de reconnaissance des microorganismes restent à découvrir. L’identification de ces protéines est particulièrement attendue pour la voie Toll qui peut être activée par deux types de micro-organismes très différents, les bactéries à Gram positif et les champignons. Avant de développer les éclairages récents acquis chez la drosophile, voyons comment cettte étape de reconnaissance s’effectue chez les vertébrés. Les travaux sur la reconnaissance du non-soi ont été fortement influencés par une hypothèse proposée en 1989 par le professeur Charles Janeway, de l’Université de Yale [8]. Dans un article qui fait aujourd’hui référence, Janeway propose qu’au cours de l’évolution la nature a sélectionné des récepteurs moléculaires qui reconnaissent des motifs invariants présents sur les microbes et absents des cellules de l’hôte. Ces motifs structuraux qu’il appelle « PAMP » (pour pathogen associated molecular pattern), correspondent aux lipopolyssacharides (LPS) des parois des bactéries à Gram négatif, aux peptidoglycanes (PGN) des bactéries à Gram positif ou encore aux mannanes des champignons. Les PAMP seraient indispensables à la survie des micro-organismes et serviraient de ligands pour des récepteurs spécifiques (appelé PRR pour pattern recognition receptor) présents à la surface des cellules du système immunitaire.

Les premiers éléments d’information sur la nature moléculaire des PRR de vertébrés proviennent d’études faites sur les souris lps. Ces souches mutantes présentent la caractéristique d’être insensibles aux injections de LPS [9]. Ce traitement, lorsqu’il est appliqué à des souris sauvages provoque la mort rapide des animaux par choc septique. Par clonage positionnel, il a été démontré que le gène inactivé par la mutation lps est Toll-Like- Receptor 4 (TLR4), un homologue humain des gènes Toll de la drosophile [9]. Ce résultat essentiel démontre que les mécanismes moléculaires qui règlent l’immunité innée chez les mammifères et chez les invertébrés présentent d’étonnantes similitudes. La famille des TLR comprend au minimum 10 membres dont plusieurs sont activés par un ou plusieurs PAMP [10]. TLR2 répond aux peptidoglycanes des bactéries à Gram positif, TLR5 est associé à la reconnaissance de la flagelline des bactéries, TLR9 à l’ADN non méthylé des bactéries et, des travaux récents impliquent TLR3 dans la reconnaissance de l’ARN double brins des virus [11–14] (figure 2). Pris dans leur ensemble, ces travaux suggèrent que, chez les mammifères, les membres de la famille des TLR agissent comme autant de PRR. Des études biochimiques plus poussées pour TLR2, 3, 5 et 9 seront sans doute nécessaires pour asseoir cette théorie et démontrer une interaction moléculaire entre les TLR 2, 3, 5 et 9 et les PAMP. Les résultats obtenus récemment indiquent que l’étape de reconnaissance des agents infectieux fait intervenir, chez la drosophile, des mécanismes distincts de ceux décrits chez les mammifères (figure 1). Lors de la réponse immunitaire, le récepteur Toll est activé par le ligand Spz, une molécule appartenant à la famille des protéines à nœud de cystéine qui comprend aussi le NGF (nerve growth factor) et le TGFβ (transforming growth factor β) [15]. Par ailleurs, une mutation perte de fonction dans un gène codant pour une serpine (nec) provoque une activation constitutive de la voie Toll. Ce résultat indique que, comme lors de l’embryogenèse, Spz est mûri par clivage protéolytique lors de la réponse immunitaire de l’adulte [16]. Si le récepteur Toll de drosophile ne reconnaît pas directement les motifs structuraux des micro-organismes, quelles sont alors les protéines qui assurent cette fonction chez les insectes ? En recherchant des mutations qui affectent l’inductibilité des peptides antimicrobiens de la drosophile, nous avons isolé une mutation dans le gène codant pour la peptidoglycan recognition protein (PGRP-SA) [17]. Cette molécule appartient à une famille de 12 protéines capables de lier in vitro le peptidoglycane, un constituant majeur de la paroi des bactéries à Gram positif [18]. Cette mutation a été appelée semmelweis (seml) en l’honneur du médecin hongrois à l’origine de la découverte de la cause de la fièvre puerpérale [19]. En l’absence de protéine PGRP-SA fonctionnelle, la réponse de la drosophile aux bactéries à Gram positif est fortement altérée. Cela se traduit par une incapacité de synthétiser les peptides antimicrobiens et surtout par une grande sensibilité aux infections par les bactéries à Gram positif. Cette déficience est très spécifique dans la mesure où la réponse aux bactéries à Gram négatif reste normale dans les mutants seml. Les phénotypes observés pour les drosophiles seml sont identiques à ceux décrits pour les mutants Dif ou Spz, suggérant que seml est un nouveau composant de la voie Toll. Des expériences d’épistasie génétique ont démontré que seml code pour une protéine qui agit en amont du récepteur Toll et de la serpine nec. Le sauvetage du mutant seml par transfert d’hémolymphe de drosophile sauvage a confirmé que la protéine Seml est circulante dans le sang de l’insecte [17]. Nous pensons donc qu’après avoir franchi la barrière cuticulaire, les bactéries à Gram positif sont reconnues par le PGRP circulant. La liaison du PGRP de la drosophile avec le PGN des bactéries conduirait à l’activation de la voie Toll par un mécanisme encore inconnu. Se pose alors la question de l’effet de la mutation seml sur la réponse antifongique. Les résultats obtenus indiquent que contrairement aux autres mutants de la voie Toll, seml n’est sensible qu’aux bactéries à Gram positif. Alors que les mutants Toll, Spz ou Dif meurent très rapidement d’une infection par les champignons, le mutant seml se comporte, vis-à-vis de ce pathogène, comme les drosophiles sauvages [17]. Ces résultats indiquent que les champignons et les bactéries à Gram positif sont reconnus par des protéines différentes même si ils activent la même voie de signalisation intracellulaire. En conclusion, nos études apportent la première démonstration fonctionnelle in vivo du rôle d’une molécule de reconnaissance des micro-organismes dans la réponse immune des invertébrés. Ces résultats confirment que, contrairement aux vertébrés, le récepteur Toll est incapable de directement reconnaître des motifs présents à la surface des pathogènes. Enfin, il apparaît clairement que les bactéries à Gram positif et les champignons empruntent des chemins moléculaires différents pour activer le même récepteur transmembranaire Toll. Il reste à déterminer la nature des molécules activées par le PGRP qui conduisent au clivage de Spz et la nature des PRR pour les bactéries à Gram négatif et les champignons. Le génome de la drosophile contient de multiples gènes candidats et il sera nécessaire d’en obtenir des formes mutantes afin de pouvoir étudier leur fonction. Notons enfin que des gènes homologues des PGRP existent dans le génome des vertébrés [20]. L’inactivation fonctionnelle de ces gènes devrait permettre d’étudier leur implication éventuelle dans la réponse immunitaire et leur lien avec les molécules TLR

Figure 2. Rôle des molécules TLR dans la réponse immunitaire des mammifères. Exprimés à la surface des cellules immunocompétentes, les membres de la famille des TLR peuvent être activés par des motifs structuraux très variés et présents à la surface des micro-organismes. L’activation des récep-teurs déclenche une cascade de signalisation qui fait intervenir, entre autre, les composants du signalosome et les protéines NF-κB/IκB. La conséquence de cette activation est la production, par les cellules, de cytokines impliquées dans la réponse inflammatoire. Dans le cas de TLR4, une interaction molécu-laire directe a été proposée entre le LPS et un complexe protéique formé de TLR4, MD-2, LBP et CD14.

Références

© 2001 médecine/sciences - Inserm / SRMS

Liste des figures

Figure 1. Implication de la voie Toll dans la réponse immunitaire de la drosophile. Cette voie de signalisation peut être activée par deux micro-organismes, les bactéries à Gram positif et les champignons. La protéine PGRPSA/semmelweis est essentielle à la reconnaissance des bactéries à Gram positif lors de leur entrée dans l’organisme. Cette protéine ne joue aucun rôle dans la réponse antifongique. La nature des protéases situées entre le PGRP-SA et Spz reste à découvrir. Aucune des protéines en amont de Spz dans la réponse antifongique n’a encore été identifiée. Lors de son activation par Spz, Toll induit l’expression des peptides antimicrobiens dans les cellules du corps gras via la translocation nucléaire d’une molécule de type NF-κB

Dans le texte

Figure 2. Rôle des molécules TLR dans la réponse immunitaire des mammifères. Exprimés à la surface des cellules immunocompétentes, les membres de la famille des TLR peuvent être activés par des motifs structuraux très variés et présents à la surface des micro-organismes. L’activation des récep-teurs déclenche une cascade de signalisation qui fait intervenir, entre autre, les composants du signalosome et les protéines NF-κB/IκB. La conséquence de cette activation est la production, par les cellules, de cytokines impliquées dans la réponse inflammatoire. Dans le cas de TLR4, une interaction molécu-laire directe a été proposée entre le LPS et un complexe protéique formé de TLR4, MD-2, LBP et CD14.

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