Etude par transcriptomique et génomique comparative de la pathogénicité de Coxiella burnetii : une approche puce à ADN

par Quentin Leroy

Thèse de doctorat en Pathologie humaine

Sous la direction de Didier Raoult.

Le président du jury était Jean-Louis Mège.

Le jury était composé de Didier Raoult, Jean-Louis Mège, Marie-Laure Joly-Guillou, Max Maurin, Patricia Renesto.

Les rapporteurs étaient Marie-Laure Joly-Guillou, Max Maurin.


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse a été d’enrichir nos connaissances sur les bactériesintracellulaires strictes et spécialement Coxiella burnetii, agent responsable de la fièvre Q.Pour ce faire, nous avons d’une part amélioré les techniques de préparation de l’ARN pourles études transcriptionnelles et d’autre part utilisé la technologie des puces à ADN pouranalyser le transcriptome ainsi que la diversité génomique de C. burnetii.L’utilisation d’échantillons cliniques dans les études transcriptionnelles est limitéepar la quantité de matériel disponible qui ne permet pas d’analyser simultanément les profilsdu pathogène et de son hôte au cours de l’infection. De ce fait, nous avons développé, sur unmodèle d’escarres obtenus à partir de malades de fièvre boutonneuse méditerranéenne, unestratégie basée sur l’hybridation soustractive pour séparer les ARN eucaryotes etprocaryotes dans le but d’entreprendre des hybridations de puces à ADN.C. burnetii est une bactérie hautement résistante aux stress environnementaux commele changement de pH, la dessiccation, mais aussi le changement de température. Nous avonsparticulièrement étudié la réponse précoce de C. burnetii lors d’une exposition à une hauteet faible température. L’analyse globale du profil transcriptionnel a montré que la réponsede C. burnetii était limitée et similaire pour les différents stress appliqués. Cependant,malgré cette faible réponse, il apparait clairement qu’une accumulation de ppGpp, un arrêtde la croissance et des modifications de la membrane et de la paroi cellulaire permettraient àC. burnetii de résister à ces stress. Toutes ces régulations géniques convergent vers unchangement d’état de la bactérie vers une forme pseudo-sporulée. De plus, nous avonsobservé une organisation spatiale des gènes différentiellement exprimés. Nos analyses bioinformatiquesont montré que ces clusters de régulation ne répondaient ni au paradigmepromoteur - facteur de transcription – opéron, ni à des réseaux biologiques. Ayant retrouvéce phénomène dans plusieurs autres études transcriptionnelles chez d’autres bactériesintracellulaires, nous spéculons que ces clusters de régulations pourraient être dus à unerégulation épigénétique qu’il reste à caractériser.Différentes méthodes de typage ont déjà été mises au point pour classer les isolats deC. burnetii dans le but d'explorer son pouvoir pathogène. Ici, nous présentons une méthodede génomotypage basée sur la présence ou l'absence de gènes à l'aide de puces à ADN.Nous avons testé notre stratégie de génomotypage sur 52 isolats provenant de différenteszones géographiques, de différents hôtes et de patients présentant différentes manifestationscliniques. L'analyse a révélé la présence de 10 génomotypes organisés en 3 groupes avecune topologie congruente à celle observée avec le Multi Spacer Typing. Nous avons aussidécouvert 4 génomotypes particulièrement associés à la fièvre Q aiguë, alors que tous lesgénomotypes étaient associés à la forme chronique. De plus, le génomotypage a révélé queles isolats retrouvés dans les tiques dures, y compris la souche de référence Nine Mileappartiennent au même genomotype.Globalement, les données que nous avons obtenues confirment le fait que les puces àADN sont un outil adapté pour l’analyse de la pathogénicité de C .burnetti mais aussi desautres bactéries intracellulaires strictes. Cependant, de nouvelles technologies plusrésolutives comme le DNA ou RNAseq semblent être plus prometteuses mais restent encoreà optimiser

  • Titre traduit

    Transcriptomic and comparative genomic to explore the pathogenicity of Coxiella burnetii : a microarray approach


  • Résumé

    The objective of this thesis was to increase knowledge of obligate intracellular bacteriaand specifically, the causative agent of Q fever C. burnetii. In this regard, we have improvedstrategies to purify RNA for the transcriptional studies. We also used the technologymicroarrays to analyze the transcriptome and genomic diversity of C. burnetii.The use of clinical samples in the transcriptional studies is limited by the amount ofmaterial available and thus the transcriptional profiles of the pathogen and its host duringinfection can not be simultaneously analyze. We developed, with a model of eschars obtainedfrom Mediterranean spotted fever patients, a strategy based on subtractive hybridization toseparate RNA eukaryotic and prokaryotic cells in order to perform microarray experiments.Analysis of the survival strategies used by this bacterium to adapt to new environmentalconditions is critical for our understanding of C. burnetii pathogenicity. Here, we report theearly transcriptional response of C. burnetii under temperature stresses. Our data show thatC. burnetii exhibited minor changes in gene regulation under short exposure to heat or coldshock. While small differences were observed, C. burnetii seemed to respond similarly to coldand heat shock. The expression profiles obtained using microarrays produced in-house wereconfirmed by quantitative RT-PCR. Under temperature stresses, 190 genes were differentiallyexpressed in at least one condition, with a fold change of up to 4. Globally, the differentiallyexpressed genes in C. burnetii were associated with bacterial division, (p)ppGpp synthesis,wall and membrane biogenesis and, especially, lipopolysaccharide and peptidoglycansynthesis. These findings could be associated with growth arrest and witnessed transformationof the bacteria to a spore-like form. Unexpectedly, clusters of neighboring genes weredifferentially expressed. These clusters do not belong to operons or genetic networks; theyhave no evident associated functions and are not under the control of the same promoters. Wealso found undescribed but comparable clusters of regulation in previously reportedtranscriptomic analyses of intracellular bacteria, including Rickettsia sp. and Listeriamonocytogenes. The transcriptomic patterns of C. burnetii observed under temperature stressespermits the recognition of unpredicted clusters of regulation for which the trigger mechanismremains unidentified but which may be the result of a new mechanism of epigenetic regulation.Different typing methods have been previously developed to classify C. burnetii isolatesin order to explore its pathogenicity. Here, we report a comprehensive genomotyping methodbased on presence or absence of genes using microarray. The genomotyping method was thentested on 52 isolates obtained from different geographic areas, different hosts and isolated frompatient with different clinical manifestations. The analysis reveals the presence of10 genomotypes organized in 3 groups with a topology congruent with that of Multi SpacerTyping. We also found out 4 genomotypes especially associated with acute Q fever whereas allthe genomotypes could be associated to chronic human infection. Serendipity, genomotypingreveals that hard ticks isolates including Nine Mile belong to the same genomotype.Overall, the data we obtained confirm that DNA microarrays are a suitable tool forexploring pathogenicity of C. Burnetti and other obligate intracellular bacteria. However newtechnologies such as DNAseq or RNAseq seem more promising but still need to optimize andalso are still expensive compared to microarray.


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