vignette|460x460px| Structure d'un lipopolysaccharide (LPS) Les lipopolysaccharides (LPS), également appelés lipoglycanes ou endotoxines, sont de grosses molécules constituées d’un lipide et d’un polysaccharide composé d’un antigène O, d’un noyau externe et d’un noyau interne reliés par une liaison covalente. Ils se trouvent dans la membrane externe des bactéries à Gram négatif.
Le lipopolysaccharide (LPS) se lie au récepteur TLR4 et promeut la libération de cytokines pro-inflammatoires. C'est une endotoxine pyrogène. Il induit chez l'homme des signes cliniques (fièvre, agrégation des hématies, choc septique, diminution de la pression artérielle). C'est la partie lipide A qui est considérée comme la plus toxique (action sur les granulocytes et les cellules épithéliales).
En recherche fondamentale, le LPS est souvent utilisé pour provoquer l'inflammation tel que l'induction de la cyclooxygénase-2 sur des cellules ou des organes en culture. Généralement il est utilisé à une concentration de 100 mg/L.
Découverte L’activité toxique du LPS a été découverte et appelée "endotoxine" par Richard Pfeiffer. Il a distingué les exotoxines, qu’il a classées comme toxines libérées par la bactérie dans l’environnement, et les endotoxines, qu’il a considérées conservées "à l'intérieur" de la cellule bactérienne et libérées uniquement après la destruction de la paroi cellulaire bactérienne. Des travaux ultérieurs ont cependant montré que la libération de LPS de microbes Gram négatifs ne requiert pas nécessairement la destruction de la paroi cellulaire bactérienne. En effet, le LPS peut être sécrété durant l'activité physiologique normale liée au trafic des vésicules de membrane. Le LPS est alors relâché par la bactérie sous la forme de vésicules de membrane externe. Ces vésicules membranaires peuvent également contenir d’autres facteurs de virulence et des protéines.
Aujourd'hui, le terme « endotoxine » est surtout utilisé comme synonyme de LPS bien qu'il existe quelques endotoxines qui ne sont pas liées au LPS, telles que les protéines dites endotoxines delta sécrétées par Bacillus thuringiensis.
Fonctions dans les bactéries Le LPS est le composant majeur de la membrane externe des bactéries à Gram négatif. Il contribue grandement à l’intégrité structurelle de la bactérie et protège la membrane de certains types d’attaques chimiques. Le LPS augmente également la charge négative de la membrane cellulaire et aide à stabiliser la structure globale de la membrane. Il est d'une importance cruciale pour de nombreuses bactéries à Gram négatif, qui meurent si le LPS est muté ou supprimé. Cependant, il semble que le LPS soit non essentiel chez au moins certaines bactéries à Gram négatif, telles que Neisseria meningitidis, Moraxella catarrhalis et Acinetobacter baumannii. Le LPS induit une forte réponse du système immunitaire chez l'animal. Il est également impliqué dans des aspects non pathogènes de l'écologie bactérienne, notamment l'adhésion de surface, la sensibilité aux bactériophages et les interactions avec des prédateurs comme les amibes.
Le LPS est nécessaire pour la conformation correcte de l'activité de l'omptine; cependant, les LPS lisses entraveront stériquement les omptines.
Composition droite|vignette|300x300px| Résidus saccharolipidiques Kdo2 – Lipid A. Kdo en (noyau), glucosamine en , chaînes acyle en et groupes phosphate en . Le lipopolysaccharide (LPS) comprend trois parties:
Antigène O (ou polysaccharide O) Core oligosaccharide Lipide A
Antigène-O L'antigène O est spécifique d'une espèce à une autre. Il est composé de deux triosides et d'un dioside. C'est un groupement qui se répète de 2 à 40 fois. Les chaînes latérales ont une structure qui confère la spécificité antigénique. Lors du passage à l'état R (rough) des colonies, ce sont ces chaînes latérales qui sont perdues. Il permet le sérogroupage, étape essentielle dans l'identification des Enterobacteriaceae, notamment des Salmonella. Certaines bactéries comme Haemophilus influenzae ne possèdent pas de tel antigène.
Un polymère de glycane répétitif contenu dans un LPS est appelé antigène O, polysaccharide O ou chaîne latérale O de la bactérie. L'antigène O est lié à l'oligosaccharide central et comprend le domaine le plus externe de la molécule de LPS. La composition de la chaîne O varie d'une souche à l'autre. Par exemple, il existe plus de 160 structures d'antigènes O différentes produites par différentes souches dEscherichia coli. La présence ou l'absence de chaînes en O détermine si le LPS est considéré comme rugueux ou lisse. Les chaînes O pleine longueur rendraient le LPS lisse, tandis que l'absence ou la réduction des chaînes O rendrait le LPS rugueux. Les bactéries présentant un LPS brut ont généralement des membranes cellulaires plus pénétrables par un antibiotique hydrophobe, puisqu'un LPS brut est plus hydrophobe. L'antigène O est exposé à la surface même de la cellule bactérienne et constitue par conséquent une cible pour la reconnaissance par les anticorps de l'hôte.
Core Le domaine Core contient toujours un composant oligosaccharide qui se lie directement au lipide A et contient généralement des sucres tels que l'heptose et l'acide 3-désoxy-D-manno-oct-2-ulosonique (également appelé KDO, céto-désoxyoctulosonate). Les noyaux LPS de nombreuses bactéries contiennent également des composants non glucidiques, tels que des substituants phosphate, acides aminés et éthanolamine.
Lipide A Le lipide A est, dans des circonstances normales, un disaccharide phosphorylé de glucosamine décoré de multiples acides gras. Ces chaînes d'acide gras hydrophobes ancrent le LPS dans la membrane bactérienne et le reste du LPS dépasse de la surface de la cellule. Le domaine lipidique A est responsable d’une grande partie de la toxicité des bactéries à Gram négatif. Lorsque les cellules bactériennes sont lysées par le système immunitaire, des fragments de membrane contenant le lipide A sont libérés dans la circulation, provoquant fièvre, diarrhée et éventuellement un choc endotoxique fatal (également appelé choc septique). Le fragment Lipide A est un composant très conservé du LPS. Cependant, la structure du lipide A varie selon les espèces bactériennes et définit une activation immunitaire globale de l'hôte.
Lipo-oligosaccharides Les lipo-oligosaccharides (LOS) sont des glycolipides présents dans la membrane externe de certains types de bactéries à Gram négatif, telles que Neisseria spp. et Haemophilus spp. Le terme est synonyme de la forme de bas poids moléculaire de LPS bactérien. Le LOS joue un rôle central dans le maintien de l'intégrité et de la fonctionnalité de la membrane externe de l'enveloppe de la cellule à Gram négatif. Les lipo-oligosaccharides jouent un rôle important dans la pathogenèse de certaines infections bactériennes, car ils peuvent agir comme immunostimulateurs et immunomodulateurs. De plus, les molécules LOS sont responsables de la capacité de certaines souches bactériennes à présenter un mimétisme moléculaire et une diversité antigénique, permettant d'échapper aux défenses immunitaires de l'hôte et contribuant ainsi à la virulence de ces souches bactériennes.
Chimiquement, les lipo-oligosaccharides sont dépourvus d’antigènes O et ne possèdent qu’un fragment d’ancrage à la membrane externe à base de lipide A et un noyau oligosaccharidique. Dans le cas de Neisseria meningitidis, le lipide A de la molécule a une structure symétrique et le noyau interne est composé de résidus acide 3-désoxy-D-manno-2-octulosonique (KDO) et heptose (Hep). La chaîne oligosaccharidique du noyau externe varie en fonction de la souche bactérienne. Le terme lipo-oligosaccharide est utilisé pour désigner la forme à bas poids moléculaire des lipopolysaccharides bactériens, qui peuvent être classés en deux formes: la forme à poids moléculaire élevé (Mr ou lisse) possède une chaîne O de polysaccharide répétée de poids moléculaire élevé, alors que la forme de bas poids moléculaire (faible Mr ou rugueux), n'a pas la chaîne O mais possède un oligosaccharide court à la place.
Modifications du LPS La fabrication du LPS peut être modifiée afin de présenter une structure de sucre spécifique. Celles-ci peuvent être reconnues soit par d'autres LPS (qui permettent d'inhiber les toxines du LPS), soit par des glycosyl-transférases qui utilisent cette structure de sucre pour ajouter des sucres plus spécifiques. Il a été démontré qu’une enzyme spécifique dans l’intestin (phosphatase alcaline) peut détoxifier le LPS en éliminant les deux groupes phosphates présents dans les glucides du LPS. Cela peut servir de mécanisme d'adaptation pour aider l'hôte à gérer les effets potentiellement toxiques des bactéries à Gram négatif normalement présentes dans l'intestin grêle. Une enzyme différente peut détoxifier le LPS lorsqu’il entre ou est produit dans les tissus animaux. Les neutrophiles, les macrophages et les cellules dendritiques produisent une lipase, l’acyloxyacyl hydrolase (AOAH), qui inactive le LPS en éliminant les deux chaînes acyle secondaires du lipide A. Si elles reçoivent du LPS par voie orale, les souris sans AOAH développent des titres élevés d’anticorps non spécifiques, développent une hépatomégalie prolongée et ont une tolérance prolongée aux endotoxines. Il peut être nécessaire d'inactiver les LPS pour que les animaux retrouvent l'homéostasie après une exposition parentérale aux LPS.
Biosynthèse et transport gauche|vignette|380x380px| Assemblage final du LPS: les sous - unités d’ antigène-O sont transloquées à travers la membrane interne (par Wzx) où elles sont polymérisées (par Wzy, longueur de chaîne déterminée par Wzz) et ligaturées (par WaaL) pour compléter les molécules Core- Lipid A par MsbA). vignette|380x380px| Transport de LPS: les molécules de LPS complètes sont transportées à travers le périplasme et la membrane externe par les protéines LptA , B, C, D, E, F et G
Effets biologiques sur les hôtes infectés par des bactéries à Gram négatif
Réponse immunitaire Le LPS agit comme endotoxine prototypique car il se lie au complexe récepteur CD14/TLR4/MD2 dans de nombreux types de cellules, mais en particulier dans les monocytes, les cellules dendritiques, les macrophages et les cellules B, ce qui favorise la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires, d'oxyde nitrique et d'icosanoïdes.
Dans le cadre de la réponse au stress cellulaire, le superoxyde est l’une des principales espèces d’oxygène réactif induites par le LPS dans divers types de cellules exprimant le TLR (récepteur de type Toll).
Le LPS est également un pyrogène exogène (substance induisant de la fièvre).
Étant d'une importance cruciale pour les bactéries à Gram négatif, ces molécules constituent des cibles potentielles pour de nouveaux agents antimicrobiens.
Certains chercheurs ont des doutes sur les effets toxiques généralisés attribués à tous les lipopolysaccharides, en particulier aux cyanobactéries.
La fonction du LPS fait l'objet de recherches expérimentales depuis plusieurs années en raison de son rôle dans l'activation de nombreux facteurs de transcription. Le LPS produit également de nombreux types de médiateurs impliqués dans le choc septique. Les humains sont beaucoup plus sensibles au LPS que les autres animaux (par exemple, les souris). Une dose de 1 µg/kg induit un choc chez l'homme, mais les souris toléreront une dose mille fois plus élevée. Cela peut être lié aux différences de taux d'anticorps naturels en circulation entre les deux espèces. Said et al. ont montré que le LPS provoque une inhibition de l'expansion et de la fonction des cellules T CD4 dépendante de l' IL-10 en régulant positivement les taux de PD-1 sur les monocytes, ce qui conduit à la production d'IL-10 par les monocytes après liaison de PD-1 par PD-L1.