Role of Escherichia coli curli in relation with intestinal components - mucin, Klebsiella pneumoniae and Enterococcus faecalis

par Nan Yang

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Corinne Dorel.

Soutenue le 20-01-2011

à Lyon, INSA , dans le cadre de Evolution, Ecosystèmes, Microbiologie et Modélisation , en partenariat avec MAP - Microbiologie, Adaptation et Pathogénie, UMR 5240 (Lyon, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Rémy Gourdon.

Le jury était composé de Rémy Gourdon, Marie-Noëlle Bellon-Fontaine, Christiane Forestier, Paolo Landini, Romain Briandet, Philippe Lejeune, Chun Chau Sze.

Les rapporteurs étaient Marie-Noëlle Bellon-Fontaine, Christiane Forestier, Paolo Landini.

  • Titre traduit

    Rôle d'Escherichia coli curli en relation avec les composantes intestinales - mucine, Klebsiella pneumoniae et Enterococcus faecalis


  • Résumé

    Les bactéries dans la nature existent principalement en biofilm, qui est une communauté structurée et adhérente de microbes enveloppés dans des matrices polymériques. Dans le corps humain, la plupart de biofilms sont composés de microorganismes commensaux et le tractus gastro-intestinal est le site le plus fortement colonisé. L’attachement bactérien à la couche de gel de mucus couvrant l’épithélium intestinal est fondamental à l’établissement d’une microflore commensale stable. Cependant, les interactions entre les bactéries et le gel de mucus restent mal décrites. En plus, la complexité et la diversité du microbiote intestinal lui-même est un obstacle pour les analyses de son fonctionnement biologique. Les fonctions du microbiote sont le produit de communautés bactériennes complexes, et des interactions entres les différentes espèces qui les composent. De nouvelles approches sont nécessaires pour étudier la génétique de l’espèce la plus étudiée du microbiote de l’intestin humain, Escherichia coli. Cette thèse est consacrée à l’exploration de la réponse transcriptionnelle d’E. coli à différents facteurs présents dans l’intestin humain à travers la réalisation de 3 objectifs principaux. La première partie de mon travail concerne la conception et l’optimisation d’outils génétiques permettant de détecter E. coli au sein de biofilms multi-espèces tout en mesurant simultanément l’activité d’un gène d’intérêt. L’utilisation du gène codant la protéine fluorescente verte (GFP) et de ses dérivés a permis d’importantes avancées sur le marquage des cellules entières ainsi que le suivi d’activité transcriptionnelle. Par contre, l’utilisation de marqueurs fluorescents rouges s’est révélée décevante. Dans un deuxième temps, grâce aux outils mis au point dans la première partie de mon travail, l’influence de la mucine sur la capacité d’E. coli à former des biofilm a pu être étudiée. J’ai montré que la mucine augmente la formation du biofilm d’E. coli par modulation transcriptionnelle de structures d’adhérences telles que les curli et les pili de type 1. Enfin, l’influence de la culture en biofilms multi-espèces constitués d’E. coli et de bactéries commensales (K. pneumoniae and E. faecalis) sur la croissance de chacun des partenaires a été analysée, en focalisant notre attention sur l’influence possible de structures d’adhérence telles que les curli. Les résultats indiquent que la production de curli en biofilm augmente le développement d’E. coli en co-culture avec K. pneumoniae alors qu’elle favorise l’interaction synergique entre E. coli et E. faecalis. Les implications basées sur ces données ont été examinées. Ce travail contribue à l’amélioration des connaissances sur la réponse d’E. coli à l’environnement intestinal et apporte les fondations pour construire des outils plus puissants pour la poursuite des investigations sur les biofilms multi-espèces.


  • Résumé

    Bacteria in nature mostly exist in biofilms, which are structured adherent communities encased in polymeric matrices. In the human body, most biofilms are composed of commensal microorganisms with the gastrointestinal tract being the most heavily colonized site. Bacterial attachment to the overlying mucus gel layer of the intestinal epithelium is fundamental to the establishment of a stable commensal microflora. However the interaction of bacteria with the complex mucus gel is poorly described. Moreover, the complexity and diversity of the gut microbiota is itself an obstacle to studying its biology. Microbiota functions are the product of communities of bacteria and interactions between multiple species. New approaches are needed to study this aspect of even the most well-studied member of the human gut microbiota, Escherichia coli. This thesis was devoted to the exploration of the transcriptional response of E. coli facing different elements of human gut following 3 main objectives. First, the initial part of my work was related to the conception and optimization of appropriate genetic tools to both track E. coli within the multispecies context that constitute human gut commensals, and survey the expression of genes of interest. Use of the Green Fluorescent Protein (GFP) genes allowing enhanced fluorescence and shortened half-life has permitted significant progress both in whole cell tagging as well as transcriptional reporting, while the red fluorescent counterparts were disappointing. Second, using the subset of tools that has been validated to be reliable, influence of mucin on the biofilm formation ability of E. coli has subsequently been studied. I have shown that mucin promotes E. coli biofilm formation through transcriptional modulation of surface adhesion structures such as curli and type 1 pili. Third, concurrently, E. coli’s population relationship to commensal bacteria (K. pneumoniae and E. faecalis) was investigated and demonstrated, with the possible influence of surface adhesion structures such as curli as the biological focus. The results suggest that curli production in biofilm increases the fitness of E. coli when co-cultured with K. pneumoniae while promoting synergistic interaction between E. coli and E. faecalis. The implication based on the data is discussed. This work improves the understanding of E. coli response to the gut environment, and provides foundations to build more powerful tools for further investigations.


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