Investigation of intramacrophage stages of Burkholderia cenocepacia using a zebrafish model

par Lili Zhang

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Annette C. Vergunst.

Le président du jury était Georges Lutfalla.

Le jury était composé de Annette C. Vergunst, Georges Lutfalla, Pierre Boudinot, Serge Mostowy, Annemarie Meijer, Matteo Bonazzi.

Les rapporteurs étaient Pierre Boudinot, Serge Mostowy.

  • Titre traduit

    Analyse des stades intramacrophagiques de la bactérie Burkholderia cenocepacia grâce à l'utilisation du poisson zèbre comme modèle d'infection


  • Résumé

    Les bactéries appartenant au complexe Burkholderia cepacia (Bcc) peuvent causer des infections pulmonaires dévastatrices chez les patients atteints de mucoviscidose. Les bactéries Bcc sont capables de survivre et se multiplier dans les macrophages in vitro. Des études cliniques ont confirmé que ces bactéries opportunistes se localisent au niveau des cellules phagocytaires et ne forment pas des biofilms dans les poumons des patients infectés comme on le croyait généralement. En utilisant le modèle d'infection zebrafish, nous avons établi précédemment que les macrophages constituent un site clé pour la réplication bactérienne et le développement de l'infection aiguë mortelle. Dans la présente étude, nous avons étudié le rôle des stades intracellulaires de B. cenocepacia en développant des nouvelles lignées transgéniques reportrices pour les études d’imagerie en temps réel, nous avons étudié le rôle de l'autophagie in vivo et analysé le profil « transcriptomique » des macrophages lors de l'infection par B. cenocepacia chez le poisson zèbre.En accord avec les études in vitro, nous avons constaté que la protéine « Microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 » (Lc3), protéine clé dans l’autophagie, a été recrutée au niveau des vacuoles contenant B.cenocepacia K56-2. Nous avons observé en temps réel que les bactéries étaient capables de se répliquer dans ces organelles. Cependant la modulation de l'autophagie par voie génétique et pharmacologique n'a pas changé de manière significative le profil de réplication de B.cenocepacia K56-2 lors de l'infection. En dépit de la charge bactérienne inchangée, une baisse de l’autophagie était reliée avec une augmentation de la mortalité par rapport aux embryons de type sauvage. Ceci suggère une corrélation entre l'autophagie et l'inflammation, et nous proposons que la capacité de B. cenocepacia à arrêter la maturation des (auto) phagosomes et la présence de « cross-talk » entre l’autophagie d’une part et l’inflammasome de l’autre jouent un rôle important dans les réactions inflammatoires observées. Pour approfondir les connaissances sur le rôle des macrophages lors de l'infection aiguë, nous avons déterminé le profil transcriptomique des macrophages isolés à partir d'embryons de poisson zèbre infectés par B. cenocepacia après l'infection. Notre analyse bio-informatique a montré que la plupart des gènes surexprimés sont impliqués dans la signalisation de la réponse immunitaire, tandis que la plupart des gènes sous exprimés sont associés à la transcription et à la traduction. Nous avons confirmé l’activation de l’expression de tnfa dans les macrophages, et nous avons constaté que l'expression des cytokines cxcl8 et Il1b, induite par l'infection, ne dépendait pas de la signalisation par le récepteur TNFa, TNFRSF1A.Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension de l'interaction entre B. cenocepacia et les macrophages in vivo, et peuvent contribuer à l’identification de nouvelles cibles pour le développement de thérapies anti-infectieuses pour lutter contre ces bactéries intracellulaires.


  • Résumé

    Opportunistic bacteria belonging to Burkholderia cepacia complex (Bcc) can cause devastating pulmonary infections in cystic fibrosis patients. These bacteria can survive and replicate in macrophages in vitro. Clinical evidence confirmed that the bacteria localize in phagocytic cells, and do not form biofilms in the lungs of infected patients as generally believed. Using a zebrafish infection model we established previously that macrophages are a critical site for bacterial replication and development of acute fatal infection. In the present study, we further explored the role of the intracellular stages of B. cenocepacia by developing new transgenic reporter lines for real time imaging of subcellular trafficking, studying in detail the role of autophagy in vivo, and performing host transcriptome analysis of FACS-sorted macrophages from zebrafish larvae infected with B. cenocepacia.In agreement with in vitro studies, we found that the autophagy related protein Microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 (Lc3) was recruited to B. cenocepacia K56-2-containing vacuoles. Although not critical, using real time confocal microscopy, we observed that the bacteria were able to replicate in such organelles. Both genetic and pharmacological modulation of autophagy did not significantly change the replication profile of B. cenocepacia K56-2 during infection. However, reduction in autophagy resulted in more rapid embryo death compared to wild type embryos. This suggests an inverse correlation between autophagy and fatal inflammation, and we hypothesize that the ability of B. cenocepacia to arrest maturation of (auto)phagosomes, and cross talk between autophagy and inflammasome signaling pathways during B. cenocepacia infection play an important role in the observed inflammatory responses. This study further describes the host transcriptome profile of macrophages isolated from infected zebrafish embryos. Our bio-informatics analysis showed that most of the genes up-regulated during infection were involved in immune response signaling, while the major group of down-regulated genes was associated with transcription and translation. We experimentally confirmed rapidly increased expression of tnfa in macrophages, and found that infection-induced expression of the cytokines cxcl8 and il1b did not depend on signalling through the Tnfa receptor, Tnfrsf1a.Our results contribute to a better understanding of the interaction between B. cenocepacia and macrophages in vivo, and the zebrafish may help finding new targets for development of anti-infectious therapies to combat these intracellular bacteria.

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