Adaptations comparées de Mycobacterium abscessus à la phagocytose amibienne et macrophagique : recherche de gènes de virulence par des approches globales

par Violaine Dubois

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Jean-Louis Herrmann et de Fabienne Girard-Misguich.

Soutenue le 19-12-2018

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Infection et inflammation chronique (2IC) (laboratoire) , Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) et de Infection et inflammation chronique (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Gaillard.

Le jury était composé de Jean-Louis Herrmann, Fabienne Girard-Misguich, Jean-Louis Gaillard, Carmen Buchrieser, Stephen B. Gordon, Oana Dumitrescu, Yann Héchard.

Les rapporteurs étaient Carmen Buchrieser, Stephen B. Gordon.


  • Résumé

    La mycobactérie à croissance rapide Mycobacterium abscessus est un pathogène opportuniste de l’homme, particulièrement des poumons, capable de se multiplier au sein de macrophages (MФ) mais aussi d’amibes environnementales. Nous avons pu montrer que l’environnement amibien est propice à l’adaptation de M. abscessus à cette survie intramacrophagique. Par des analyses transcriptomiques comparant les adaptations de M. abscessus au sein d’amibes ou de MФ, nous observons des enrichissements de voies biologiques démontrant des adaptations au stress oxydatif et des adaptations métaboliques telle que la béta-oxydation des lipides et l’assimilation des sulfates. Ces adaptations ont également été observées chez Mycobacterium tuberculosis, mycobactérie pathogène pulmonaire stricte de l’homme responsable de la tuberculose. Parmi les gènes induits par M. abscessus au sein des amibes figurent des gènes impliqués dans le transport de polyamines, la biosynthèse du MoCo (molybdopterin cofactor) ainsi que l’assemblage des centres fer-soufre (Fe-S). L’induction de tels gènes, décrits comme des facteurs de virulence chez certaines bactéries intracellulaires, contribuerait à la virulence de M. abscessus en permettant sa survie intramacrophagique. Quarante-cinq gènes ont été identifiés comme fortement induits en amibes chez M. abscessus. Mycobacterium chelonae, appartenant au même complexe génomique que M. abscessus et responsable exclusivement d’infections cutanées, ne présente pas de telles inductions après analyse de son transcriptome intracellulaire, ce qui pourrait expliquer son absence de survie en MФ. Cinq opérons recouvrant 10 gènes ont été délétés au sein du génome de M. abscessus par recombinaison homologue. Ces gènes sont requis pour la survie de M. abscessus en amibes et en MФ. La surexpression chez M. chelonae de deux de ces gènes, MAB_1517c et MAB_2649, codant respectivement une protéine TcmP (tetracenomycin polyketide synthesis O-methyltransferase) et une MmpS (mycobacterial membrane protein small), a conféré une survie intra-macrophagique à M. chelonae, suggérant que l’induction de ces gènes en amibes favorise la survie intracellulaire de M. abscessus en MФ. Enfin, l’analyse du transcriptome de M. abscessus en MФ révèle des adaptations propres à la vie intramacrophagique. Différents gènes particulièrement induits sont impliqués dans le métabolisme de la proline, la sécrétion de protéine par le système de sécrétion de type II ou appartiennent la voie MEP (méthylérythritol phosphate), des voies biologiques contribuant à la virulence de pathogènes. De plus, parmi les gènes induits, certains correspondent à des activités de N-acétylation, d’oxydoréduction, de liaison à l’oxygène ou de détoxification de l’oxyde nitrique par des dioxygénases qui sont enrichies. Comparé à 5 autres opérons délétés, sélectionnés selon leur niveau d’induction et leur activité biologique, le gène eis2 (MAB_4532c), codant une N-acétyltransférase, est essentiel à la survie de M. abscessus en MФ.L’utilisation d’une approche complémentaire, le criblage d’une banque de mutants par transposition chez M. abscessus en amibes, a révélé le rôle essentiel du gène mmpl8 (mycobacterial membrane protein large 8) parmi la famille de protéines MmpL, impliquées dans le transport et/ou la synthèse de lipides mycobactériens. Chez M. abscessus, l’absence de production de cette protéine est corrélée à un défaut d’export d’un nouveau glycolipide (GDND, glycosyl diacetylated nonadecyl diol) et à un phénotype délétère pour la bactérie en MФ.En conclusion, notre travail a montré le rôle fondamental de l’amibe dans l’apprêtement de M. abscessus à la survie intramacrophagique. Trois gènes ayant fait l’objet d’études approfondies, mmpL8, eis2 ainsi que le gène eccB4 (MAB_3759c) mis en évidence par le crible amibien de la banque de mutants de transposition, participent à ce phénotype, confirmant le caractère pathogène de M. abscessus.

  • Titre traduit

    Comparative adaptations of Mycobacterium abscessus to amoebal and macrophagic phagocytosis : identification of virulence genes by global approaches


  • Résumé

    Mycobacterium abscessus is a rapidly growing mycobacterium, causing opportunistic infections in humans, and notably pulmonary infections. M. abscessus is able to multiply inside macrophages (MФ) and environmental amoebae. Here we demonstrate that M. abscessus undergoes adaptations in amoebae allowing its survival in MФ. Intracellular adaptations of M. abscessus to amoebae and MФ were assessed by RNAseq. We observed a significant enrichment of biological pathways reflecting adaptations to oxidative stress and metabolic adaptations illustrated by the consumption of fatty acids and activation of the sulfate assimilation pathway. These adaptations have been described in intramacrophagic Mycobacterium tuberculosis, a strictly pathogenic mycobacteria infecting the lung of humans and causing tuberculosis. Among the set of genes induced by M. abscessus during the amoebal co-culture are genes implicated in polyamine transport, MoCo (molybdopterin cofactor) biosynthesis and iron-sulfur (Fe-S) cluster assembly. The induction of such genes, described as virulence factors from intracellular bacteria, might enhance M. abscessus virulence and thus allow its survival in MФ. Forty-five genes are highly induced along the amoebal co-culture. In comparison, the amoebal co-culture with Mycobacterium chelonae, a mycobacterium that belongs to the same genomic complex as M. abscessus and causing solely extrapulmonary infections, does not elicit the same adaptations; potentially explaining M. chelonae inability to persist in macrophages. Five operons, representing a total of 10 genes, were deleted from M. abscessus genome by homologous recombineering. These genes are required for both M. abscessus survival in amoebae and MФ. Overexpression of two of these genes in M. chelonae, MAB_1517c and MAB_2649, encoding a TcmP (tetracenomycin polyketide synthesis O-methyltransferase) protein and an MmpS (mycobacterial membrane protein small) protein respectively, enhances M. chelonae survival in MФ, suggesting that the induction of these genes favors M. abscessus survival in MФ. Analyses of M. abscessus transcriptome in MФ also shed light on adaptations specific to the bacterium intramacrophagic life. Several genes highly induced in macrophages are implicated in biological pathways known to contribute to bacteria virulence, including proline metabolism, protein secretion by the type II secretion system and the MEP (methylerythritol phosphate) pathway. Among the set of induced genes selected according to their level of induction and their biological activity, N-acetylation and redox activities, bounding to oxygen and detoxification from nitric oxide by dioxygenases are significantly enriched. Among operons from this set of genes, it appears that M. abscessus eis2 gene (MAB_4542c), encoding a N-acetyltransferase, is essential for M. abscessus survival in MФ.In addition, a complementary approach to RNAseq, the screening of a transposon (Tn) mutant library of M. abscessus inside amoebae, revealed important roles of the mmpL8 gene encoding a mycobacterial membrane protein large belonging to a family of proteins implicated in lipid biosynthesis and export to the cell surface. When this protein was no longer produced by M. abscessus, a lower amount of a new glycolipd family (GDND, glycosyl diacetylated nonadecyl diol) was observed as well as a deleterious phenotype in MФ.To conclude, our work has shown a fundamental role of amoebae in triggering the virulence of M. abscessus, further allowing its survival in macrophages. Besides, three genes that have been studied more extensively – mmpL8, eis2 and eccB4 (revealed by the Tn library screening) – are required for M. abscessus survival in macrophages and confirmed its pathogenic behavior.


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