3.1 OMVs : Composition, biogenèse et rôles fonctionnels
Les OMV sont des nanostructures sphériques bicouches lipidiques résistantes et discrètes, d’un diamètre compris entre 10 et 300 nm, dérivées de l’enveloppe cellulaire et incapables de se répliquer indépendamment (Kulp et Kuehn, 2010 ; Huang et al., 2016) (Fig. 4). Le détachement des OMV a été observé pour la première fois il y a plus de 50 ans dans des micrographies électroniques à transmission représentant l’ultrastructure de la paroi cellulaire bactérienne (Bladen et Waters, 1963 ; Bayer et Anderson, 1965 ; Chatterjee et Das, 1967). Il a été établi que ces structures nanosphériques étaient constituées d’une membrane unique entourant un centre dense en électrons (Work et al., 1966). D’autres études de la même période ont également signalé la présence de « globules extracellulaires » dans le surnageant acellulaire de E. coli cultivé dans des conditions de croissance limitant les nutriments (Bishop et Work, 1965 ; Knox et al., 1966 ; Work et al., 1966). Par conséquent, il a été initialement postulé que la formation des OMVs se produisait uniquement dans des conditions de stress. Néanmoins, d’autres recherches ont clairement démontré que les OMVs pouvaient également être détectées dans des conditions non stressantes, tant en laboratoire que dans l’environnement (Hoekstra et al., 1976 ; Hellman et al., 2000). Aujourd’hui, il est connu que les OMVs contribuent à une myriade de fonctions biologiques clés, et l’un des premiers rôles jamais décrits pour les OMVs est leur implication dans la pathogenèse, en particulier en tant que véhicules de livraison de facteurs de virulence (revu dans Ellis et Kuehn, 2010). Au fil des années, d’autres fonctions ont été attribuées aux OMV, en fonction de l’espèce et des conditions de culture, notamment la communication intra/interspécifique, la réactivité aux stress de l’enveloppe, l’acquisition de nutriments, le transfert horizontal de gènes, le rôle d’agents » leurres » ainsi que celui de biens publics (pour une description détaillée, voir Kulp et Kuehn, 2010 et Schwechheimer et Kuehn, 2015). En général, les OMV semblent favoriser la survie de la bactérie dans une niche environnementale spécifique, ce qui souligne leur pertinence pour l’homéostasie bactérienne.
Fig. 4. Vésicules de la membrane externe de bactéries Gram-négatives. (A) Représentation d’une vésicule de la membrane externe (OMV- panneau supérieur) dérivée de l’enveloppe cellulaire bactérienne (panneau inférieur). Les détails de la membrane externe (OM) et de la membrane interne (IM) sont indiqués, y compris les protéines transmembranaires. L’espace périplasmique, dans lequel se trouve la couche de peptidoglycane (PG), présente des protéines périplasmiques solubles, des protéines mal repliées et des acides nucléiques. Le contenu de l’OMV illustre une partie des biomolécules qui ont été identifiées à la fois sur leur membrane et dans leur lumière. (B et C) Micrographies électroniques à transmission d’une cellule de Synechocystis sp. PCC 6803 colorée négativement à l’acétate d’uranyle libérant une OMV (B, grossissement 120 000 ×), et milieu extracellulaire concentré sans cellule de Synechocystis sp. PCC 6803 montrant plusieurs OMV (C, grossissement 40 000 ×).
(A)Basé sur Jan, A.T., 2017. Vésicules de la membrane externe (OMVs) des bactéries Gram-négatives : une mise à jour de la perspective. Front. Microbiol. 8, 1053.
De nombreuses études ont montré que les OMV sont enrichies en composants de la MO, à savoir les LPS et les OMP, ainsi qu’en protéines périplasmiques, en fragments de PG et même en acides cytoplasmiques et nucléiques (Biller et al., 2014, 2017 ; Lee et al., 2016). Les premiers rapports ne permettaient pas réellement de différencier les MVs formées artificiellement en solution (en raison du comportement lipidique naturel de regroupement en vésicules, piégeant indistinctement le matériel issu de la lyse bactérienne) des OMVs intactes. Plus récemment, des méthodologies d’isolation améliorées et des techniques omiques de pointe ont permis une analyse minutieuse de la composition des OMV. De façon remarquable, les OMVs sont en fait enrichis en composants cellulaires spécifiques, tout en étant appauvris en d’autres (Lee et al., 2008), soutenant l’idée que la sélection du contenu du cargo n’est pas un processus aléatoire. Par exemple, le contenu des OMVs de Salmonella sp. varie en fonction des conditions de croissance testées : dans les OMVs isolées de cellules en conditions d’abondance de nutriments, les protéines cytosoliques impliquées dans la traduction et le métabolisme cellulaire ont été préférentiellement détectées, alors que dans des conditions nutritionnelles limitantes, les OMVs étaient enrichies en protéines membranaires impliquées dans le transport des nutriments (Bai et al., 2014). En outre, une approche basée sur la spectrométrie de masse a indiqué qu’aucun composant spécifique largement conservé n’était détecté dans les OMV (Schwechheimer et al., 2013), ce qui indique une fois de plus une composition variable. Au total, on s’attend à ce que les compositions différentielles des OMVs soient à la fois liées à des particularités de l’enveloppe cellulaire dépendant de la souche et à des niches écologiques distinctes (Yoon, 2016).
Trois mécanismes de formation des OMVs non mutuellement exclusifs ont été proposés. Dans un modèle, la vésiculation se produit lorsque les liaisons transversales covalentes entre les protéines membranaires et la couche PG sont localement rompues, soit par une diminution temporaire de l’abondance globale des liaisons transversales, soit par un déplacement localisé des liaisons transversales, favorisant le bombement de petites portions de MO. Un autre modèle implique des nanoterritoires périplasmiques dans lesquels s’accumulent des protéines mal repliées et d’autres composants de l’enveloppe (LPS ou fragments de PG). Suite à cette accumulation anormale et confinée de composants cellulaires, l’intégrité de l’enveloppe diminue localement, ce qui déclenche le bombement des portions de MO chargées de contenu luminal. Enfin, il a également été proposé que des caractéristiques biophysiques particulières de certains lipides de la MO puissent favoriser la vésiculation en ciblant l’intégration spécifique des LPS ou des phospholipides, entraînant des modifications de la fluidité et de la flexibilité de la membrane. On suppose également que de nombreux autres facteurs affectent la taille, le taux de production et la composition des OMVs, et si un processus consensuel de biogenèse des OMVs existe, il n’est pas entièrement caractérisé (Kulp et Kuehn, 2010 ; Schwechheimer et Kuehn, 2015 ; Yoon, 2016).
Dans la recherche sur les cyanobactéries, le domaine des OMVs est encore assez récent, et beaucoup reste à explorer. Ceci est particulièrement bien illustré par le fait que la plus ancienne publication exclusivement dédiée à l’étude des OMVs cyanobactériens date de 2014 (Biller et al., 2014). Dans cette étude révolutionnaire, il est non seulement démontré que des cultures contrôlées en laboratoire de la cyanobactérie marine Prochlorococcus libèrent continuellement des OMVs, mais aussi que ces vésicules peuvent être trouvées en abondance dans des échantillons d’eau de mer. De plus, il a été démontré que les OMVs de Prochlorococcus étaient capables de soutenir la croissance de cultures bactériennes hétérotrophes, impliquant ces structures dans les flux de carbone marins. De plus, des interactions phages-vésicules marines ont été observées, montrant le potentiel des OMVs à agir comme des agents « leurres ». Dans l’ensemble, les auteurs ont illustré certains des rôles fondamentaux des OMV et leurs innombrables implications pour les écosystèmes microbiens (Biller et al., 2014). Dans une publication plus récente, les OMV de Prochlorococcus ont été comparées à celles de trois autres hétérotrophes marins, dans le but de dévoiler la fréquence de l’emballage de l’ADN dans les vésicules et les variations entre les différents taxons (Biller et al., 2017). En examinant la quantité et la distribution de l’ADN associé aux OMVs, il a été démontré que l’ADN est encapsulé de manière différentielle au sein et entre les populations d’OMVs. De manière plus décisive, ce travail suggère que le mécanisme qui a emballé l’ADN dans les OMVs ne fonctionne pas de la même manière chez toutes les bactéries (Biller et al., 2017). En plus de Prochlorococcus et des souches marines de Synechococcus, d’autres cyanobactéries ont également montré qu’elles formaient et libéraient des OMV, notamment les unicellulaires Synechococcus sp. PCC 7002 (Xu et al., 2013) et Synechocystis sp. PCC 6803 (Pardo et al., 2015 ; Oliveira et al., 2016), la filamenteuse Jaaginema litorale LEGE 07176 (Brito et al, 2017), et les filamenteuses, formant des hétérocystes Anabaena sp. PCC 7120 (Oliveira et al., 2015a) et Cylindrospermopsis raciborskii (CYRF-01) (Zarantonello et al., 2018).
En dehors des rôles décrits ci-dessus pour les OMVs dérivées des cyanobactéries marines (Biller et al., 2014), d’autres fonctions ont été proposées pour ces vésicules extracellulaires. La libération des VMO par les cyanobactéries pourrait constituer une voie de sécrétion efficace. Il a été démontré qu’une souche de Synechococcus sp. PCC 7002 modifiée sur le plan métabolique et dépourvue de deux gènes de glycogène synthase, glgA-I et glgA-II, libère beaucoup plus d’OMV que la souche de type sauvage (Xu et al., 2013). Les auteurs ont émis l’hypothèse que, comme ce mutant a été observé pour exporter spontanément des sucres solubles dans le milieu, les OMVs observées pourraient être liées à ce mécanisme de sécrétion, même si le contenu en sucre des OMVs observées n’a pas été évalué (Xu et al., 2013). De plus, il a également été démontré qu’une souche Synechocystis sp. PCC 6803 dépourvue de l’homologue TolC (essentiel pour les mécanismes de sécrétion dépendants de la membrane ; voir les figures 1 et 3) libère significativement plus d’OMVs que la souche parentale (Oliveira et al., 2016). Comme le tolC-knockout était fortement altéré dans la sécrétion de protéines intracellulaires, de métabolites et de composés exogènes, il a été proposé que l’hyperviculation puisse combler le besoin de sécrétion. En accord, les OMVs cyanobactériennes ont également été suggérées pour transporter le matériel nécessaire au développement du biofilm. Cela a été proposé après l’observation de vésicules dérivées de cyanobiontes dans le sporocarpe de la fougère aquatique Azolla microphylla (Zheng et al., 2009). De plus, comme du matériel génétique aurait été observé à l’intérieur de ces vésicules, celles-ci pourraient être des vecteurs de transfert latéral de gènes entre le cyanobiont et la fougère (Zheng et al., 2009). Cependant, les OMVs cyanobactériennes peuvent également fonctionner comme un mécanisme pour dissiper le stress de l’enveloppe : Gonçalves et al. ont caractérisé un ensemble de souches de Synechocystis sp. PCC 6803 dépourvues de plusieurs composants de la translocase IM impliqués dans les systèmes de sécrétion dépendants de TolC (Gonçalves et al., 2018). De manière intéressante, parmi les diverses souches présentant différentes capacités de libération d’OMVs, le tolC-knockout (le plus grand producteur d’OMVs de l’étude) était le seul à présenter des niveaux de transcription remarquablement élevés de spy et degQ, codant pour des protéines impliquées dans les réponses au stress de l’enveloppe, et une surexpression de Spy et DegP (Gonçalves et al., 2018). Ainsi, les auteurs ont suggéré que la délétion de tolC suscite un stress de l’enveloppe, et que l’hyperviculation dans le tolC-knockout représente un mécanisme indépendant pour faire face à de telles conditions de stress (Gonçalves et al., 2018).