Le sol est un environnement pauvre en nutriments où de nombreux micro-organismes sont en permanente compétition pour l’acquisition de nutriments. Dictyostelium discoideum est un organisme unicellulaire eucaryote de la famille des amibes capable d’adapter son mode de vie en fonction de la niche écologique qu’il colonise et de la disponibilité en nutriments. En cas de carence nutritionnelle, D. discoideum adopte un mode de vie communautaire et se nourrit par prédation de bactéries par phagocytose [1].

La phagocytose est un mécanisme hautement conservé chez les organismes eucaryotes. Chez les vertébrés, elle est utilisée par des cellules immunitaires, les macrophages essentiellement, afin d’éliminer des organismes pathogènes [2]. L’étude de la phagocytose chez les macrophages peut se révéler complexe et l’utilisation de modèles unicellulaires comme D. discoideum permet de s’affranchir de certaines de ces difficultés. C’est notamment le cas des contraintes liées à l’utilisation de modèles animaux. Cette nouvelle met en lumière, chez l’organisme modèle D. discoideum, un mécanisme de reconnaissance de la bactérie proie, la succession des étapes de la phagocytose ainsi que la spécificité de la réponse phagocytaire employée selon la proie internalisée.

La reconnaissance constitue la première étape de la phagocytose

Afin d’initier la phagocytose, D. discoideum doit reconnaître la bactérie proie dans le milieu extérieur [3]. Pour cela, l’amibe utilise des protéines réceptrices capables de détecter des signaux issus d’une proie. Ce signal peut être perçu indirectement, sous la forme de molécules sécrétées dans le milieu extérieur, comme c’est le cas pour la bactérie Klebsiella pneumoniae, dont la sécrétion de folate est reconnue par le récepteur Far1 de l’amibe (Figure 1a) [5]. La reconnaissance de la bactérie proie peut également être directe, notamment via des composants membranaires bactériens, tels que la capsule de Staphylococcus aureus (Figure 1a). La réception de ces signaux déclenche une cascade de signalisation intracellulaire stimulant la phagocytose, qui aboutit à l’internalisation de la bactérie proie au sein d’une vacuole de phagocytose, suivi par sa mort cellulaire puis la métabolisation de ses composants.

Figure 1. Schéma représentant la réponse spécifique lors des étapes de la phagocytose de deux espèces bactériennes distinctes par D. discoideum. (A) Reconnaissance spécifique par D. discoideum des bactéries K. pneumoniae par le folate (détection indirecte) à l’aide du récepteur Far1 et des bactéries S. aureus par la capsule (détection directe), puis internalisation de la bactérie au sein d’une vacuole de phagocytose. Une fois la bactérie K. pneumoniae internalisée, la protéine Vps13F joue un rôle dans la mise en place des processus phagocytaires menant à sa mort cellulaire. Zoom sur la vacuole de phagocytose : (B) Mort bactérienne caractérisée par la perte de la capacité à se diviser lorsque l’amibe est lysée et les bactéries remises en culture. Le processus de mort cellulaire de K. pneumoniae implique NoxA, Kil1 et Kil2. Pour S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliquée. (C) Perméabilisation membranaire des bactéries caractérisée par la perte du signal GFP. Chez K. pneumoniae, ce processus implique les protéines Kil1, Kil2, NoxA et AlyL. Pour S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliquée. (D) Digestion des composants bactériens caractérisée par la perte du signal DAPI. Chez K. pneumoniae, ce processus implique les protéines Kil1et Kil2. Chez S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliqué. (S. aureus b, c, d) Des protéines ne participant pas au processus de phagocytose de K. pneumoniae, pourraient l’être lors du processus de phagocytose de S. aureus par D. discoideum.

Dans le but d’étudier les mécanismes impliqués dans la phagocytose, des chercheurs ont utilisé un modèle d’étude composé de D. discoideum et de la bactérie proie K. pneumoniae, l’agent bactérien responsable de la pneumonie. Dans ce modèle, K. pneumoniae a été génétiquement modifiée pour exprimer un transgène codant la GFP (green fluorescent protein), une protéine fluorescente. L’émission de fluorescence peut être suivie par microscopie, et sa disparition indique la mort de la bactérie phagocytée par D. discoideum [4]. Parmi les différents mutants de D. discoideum obtenus par mutagénèse aléatoire, la souche mutante pour le gène vps13F présentait un ralentissement de croissance. Lors de la prédation de K. pneumoniae par cette souche mutante de D. discoideum, le nombre de bactéries phagocytées n’était pas affecté, mais le signal GFP était maintenu et la croissance de D. discoideum ralentie [4]. Ces changements ne semblent donc pas être dus à un défaut d’initiation de la phagocytose, mais plutôt à un défaut de lyse des bactéries internalisées. Par conséquent, la protéine Vps13F ne participe probablement pas aux étapes les plus précoces de la phagocytose, mais intervient dans la reconnaissance spécifique de K. pneumoniae une fois cette dernière internalisée, initiant des mécanismes phagocytaires menant à la mort bactérienne.

Cette expérience illustre un exemple d’étude à l’origine de l’identification des étapes qui suivent la reconnaissance des bactéries proies par D. discoideum. D’autres approches, résumées ci-dessous, ont été développées afin de connaître la cinétique de ces événements.

La microscopie en temps réel révèle la dynamique complexe de la phagocytose

Pour déterminer la chronologie des étapes de la phagocytose, les chercheurs ont opté pour un suivi par microscopie en temps réel. Cette méthode permet de suivre l’émission de deux signaux émis par les bactéries au cours de la phagocytose par D. discoideum : la GFP produite dans la bactérie proie et le signal émis par le DAPI (4’,6-diamidino2-phenylindole), un marqueur fluorescent de l’ADN utilisé pour marquer le génome bactérien. La perte du signal GFP est donc associée à la perméabilisation des membranes bactériennes, tandis que la perte du signal DAPI indique la digestion bactérienne par l’amibe. Après une période de mise en contact avec l’amibe, les bactéries qui ont été phagocytées sont récoltées à différents temps par lyse de l’amibe. Les chercheurs ont suivi la capacité de division de ces bactéries, la perte de cette capacité étant associée à la mort cellulaire [3]. Parmi les bactéries K. pneumoniae émettant toujours le signal GFP, 82 % n’étaient déjà plus capables de se diviser et celles n’émettant plus de signal GFP étaient également incapables de division. Ces résultats montrent que la mort cellulaire des bactéries K. pneumoniae précède leur perméabilisation membranaire lors de leur phagocytose par D. discoideum (Figure 1b). De façon intéressante, la disparition du signal GFP précède systématiquement la perte du signal DAPI (Figures 1c, 1d). Ce résultat démontre que la perméabilisation de la membrane précède la lyse de la bactérie et la digestion de son contenu cellulaire par l’amibe [6].

Une méthodologie similaire a été utilisée pour évaluer la contribution de différentes protéines antibactériennes produites par l’amibe lors de chaque étape de phagocytose. Ces protéines peuvent être regroupées selon leur mode d’action en quatre catégories. La première rassemble des enzymes phagosomales, comme NoxA, responsable de la production de radicaux libres. La seconde catégorie réunit des protéines impliquées dans la modification ionique du phagosome pour favoriser son acidification, telle Kil2, une ATPase impliquée dans le transport des ions magnésium. Une troisième catégorie regroupe des protéines à activité lysosomale, dont AlyL, et le dernier groupe rassemble des protéines et des peptides à l’instar de BpiC, capables de perméabiliser la membrane bactérienne. Toutes ces enzymes sont maturées par des protéines connues sous le nom Golgi sulfotransférase, comme la protéine Kil2 à titre d’exemple.

En comparant la dynamique de disparition des signaux fluorescents bactériens de K. pneumoniae (GFP et DAPI) internalisées par la souche parentale de D. discoideum ou différents mutants d’inactivation des gènes codant les protéines présentées ci-dessus, il est possible de les associer à des étapes de la phagocytose. De cette manière, il a été mis en évidence que lors de la phagocytose de K. pneumoniae, la protéine NoxA intervient à la fois dans l’étape de mort cellulaire et dans de la perméabilisation membranaire de la bactérie (Figures 1b, 1c), alors qu’AlyL et BpiC n’interviennent que lors de l’étape de perméabilisation membranaire (Figure 1c). Les protéines Kil1 et Kil2 participent à chacune des étapes de la phagocytose, y compris celle de digestion des composants bactériens (Figure 1), et apparaissent centrales dans le processus de phagocytose de K. pneumoniae par D. discoideum [6].

Dictyostelium discoideum adapte sa phagocytose à la proie internalisée

La reconnaissance par D. discoideum étant spécifique de l’espèce bactérienne rencontrée, il était intéressant d’évaluer si des spécificités existent pour les autres étapes du processus de prédation. Pour répondre à cette question, les chercheurs ont suivi l’impact de différentes mutations de D. discoideum sur la phagocytose de différentes espèces bactériennes. Cette approche a permis de démontrer que certaines protéines, telles que Kil1 ou Kil2, sont impliquées dans la phagocytose de plusieurs espèces bactériennes. En effet, l’inactivation des gènes kil1 ou kil2 améliorait de manière significative la survie de nombreuses bactéries proies. Si ces deux protéines participent à la phagocytose chez K. Pneumoniae, seul Kil2 semble impliquée chez Staphylococcus aureus (Figure 1b, 1d). À l’inverse, certaines protéines semblent hautement spécifiques et sont essentielles uniquement lors du processus de phagocytose d’une seule espèce bactérienne testée dans cette étude. Par exemple, l’inactivation du gène alyL (codant une enzyme lysosomale) n’impacte négativement la phagocytose que de K. pneumoniae [7]. Il semblerait donc bien exister une spécificité de réponse de l’amibe face à sa proie grâce à l’implication de plusieurs facteurs agissant lors acteurs de la phagocytose (Figure 1).

Par ailleurs, ces résultats sont corroborés par une étude transcriptomique dans laquelle les niveaux d’expression de l’ensemble des gènes de D. discoideum ont été comparés selon l’espèce bactérienne phagocytée. Chez D. discoideum, 245 gènes avaient un niveau d’expression modulé lors de la phagocytose de K. pneumoniae, tandis que, ce sont 787 gènes dont le niveau de transcription variait lors de la phagocytose de Bacillus subtilis. La comparaison de ces deux profils transcriptomiques montre que seuls 132 gènes sont communs aux deux conditions [8]. De manière intéressante, ces résultats supportent l’hypothèse d’une modulation de l’expression génique chez D. discoideum dépendante de l’espèce bactérienne phagocytée.

Conclusion

L’ensemble des expériences décrites mettent en lumière la remarquable capacité de D. discoideum à reconnaître sa proie et à moduler de manière spécifique les différentes étapes de sa phagocytose. Bien que certaines protéines apparaissent centrales, telles que Kil2, d’autres, comme AlyL, possèdent à l’inverse une spécificité d’action au regard de l’espèce bactérienne phagocytée. Ainsi, D. discoideum représente un modèle particulièrement intéressant pour l’étude de la phagocytose notamment grâce aux similitudes entre les mécanismes phagocytaires partagés par les macrophages et par cette amibe.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Références

© 2024 médecine/sciences – Inserm

Liste des figures

Figure 1. Schéma représentant la réponse spécifique lors des étapes de la phagocytose de deux espèces bactériennes distinctes par D. discoideum. (A) Reconnaissance spécifique par D. discoideum des bactéries K. pneumoniae par le folate (détection indirecte) à l’aide du récepteur Far1 et des bactéries S. aureus par la capsule (détection directe), puis internalisation de la bactérie au sein d’une vacuole de phagocytose. Une fois la bactérie K. pneumoniae internalisée, la protéine Vps13F joue un rôle dans la mise en place des processus phagocytaires menant à sa mort cellulaire. Zoom sur la vacuole de phagocytose : (B) Mort bactérienne caractérisée par la perte de la capacité à se diviser lorsque l’amibe est lysée et les bactéries remises en culture. Le processus de mort cellulaire de K. pneumoniae implique NoxA, Kil1 et Kil2. Pour S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliquée. (C) Perméabilisation membranaire des bactéries caractérisée par la perte du signal GFP. Chez K. pneumoniae, ce processus implique les protéines Kil1, Kil2, NoxA et AlyL. Pour S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliquée. (D) Digestion des composants bactériens caractérisée par la perte du signal DAPI. Chez K. pneumoniae, ce processus implique les protéines Kil1et Kil2. Chez S. aureus, parmi ces protéines, seule Kil2 est impliqué. (S. aureus b, c, d) Des protéines ne participant pas au processus de phagocytose de K. pneumoniae, pourraient l’être lors du processus de phagocytose de S. aureus par D. discoideum.

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