Pseudolysogeny and sequential mutations build multiresistance to virulent bacteriophages in Pseudomonas aeruginosa

par Libera Latino

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

Sous la direction de Gilles Vergnaud et de Christine Pourcel.

Le président du jury était Armel Guyonvarch.

Le jury était composé de Gilles Vergnaud, Christine Pourcel, Armel Guyonvarch, David Bikard, Lone Brøndsted, Michael Hochberg, Elena Bidnenko.

Les rapporteurs étaient David Bikard, Lone Brøndsted.

  • Titre traduit

    La pseudolysogénie permet la sélection des mutations successives à la base de la résistance multiple de Pseudomonas aeruginosa aux bactériophages virulents


  • Résumé

    Les bactériophages sont des virus qui injectent leur génome dans une bactérie après fixation à des récepteurs sur la surface de celle-ci, puis effectuent un cycle de multiplication de leur ADN, la synthèse des protéines de structure, l’encapsidation du génome viral et la lyse de la bactérie. Les phages virulents réalisent uniquement des cycles lytiques alors que les phages tempérés peuvent également intégrer leur génome dans celui de la bactérie, donnant ainsi naissance à une bactérie dite lysogène. Les phages peuvent parfois être maintenus dans la bactérie sans effectuer un cycle lytique ni s’intégrer, dans un état encore peu compris, connu sous le nom de pseudolysogénie. Pseudomonas aeruginosa est une espèce bactérienne présente dans l’environnement et associée à de nombreux hôtes, végétaux et animaux. Elle est responsable de graves infections nosocomiales et on observe de plus en plus souvent des souches multirésistantes aux antibiotiques, ayant une grande capacité à former des biofilms, et en conséquence très difficiles à éradiquer. Il faut donc absolument trouver des approches thérapeutiques nouvelles telle que la phagothérapie. De nombreuses données cliniques obtenues dans les pays de l’est de l’Europe et en Russie attestent de l’efficacité et de l’innocuité de la phagothérapie, mais il reste des incertitudes en particulier concernant la nature et la fréquence des résistances naturelles. Notre projet vise à évaluer le potentiel thérapeutique des phages et à mieux comprendre la dynamique de leur interaction avec leur hôte. Nous avons étudié les mécanismes de résistance mis en place par la souche de P. aeruginosa, PAO1, à quatre bactériophages virulents appartenant à des genres différents: deux podovirus, Ab05 (ФKMV-like) et Ab09 (LIT1-like), et deux myovirus, Ab27 (PB1-like) et Ab17 (KPP10-like), tous isolés par notre laboratoire. Des infections simples ou multiples de PAO1 ont été réalisées, et une collection de variants résistants aux phages a été isolée et étudiée. La fréquence des bactéries résistantes était de 10⁻⁵ pour l'infection par un phage seul et 10⁻⁶ pour les infections par des combinaisons de deux ou quatre phages. Le phénotype et la mobilité des variants résistants étaient fréquemment affectés.Le génome de 27 variants a été entièrement séquencé par la technologie Illumina, et la comparaison avec le génome de la souche PAO1 a permis l'identification de mutations ponctuelles ou de petites indels. Quatre variants supplémentaires ont été caractérisés par une approche «gène candidat». Des mutations affectant 14 gènes différents et 1 région régulatrice ont été observées. Les gènes mutés codent pour des protéines impliquées dans la biosynthèse des pili de type IV (T4P) et des lipopolysacharides (LPS), très fréquemment utilisés comme récepteurs par les phages. Des mutations de la synthèse des alginates ont été également observées. La moitié des variants possède des mutations de variation de phase qui se sont révélées être instables. Par contre, les gènes impliqués dans la biosynthèse du T4P montrent des délétions stables. Nous avons aussi observé que la pseudolysogénie est une conséquence fréquente de l'infection par ces phages virulents et que la sélection de mutants (très souvent des mutants doubles) est favorisée par la production continue de phages par les pseudolysogènes. La présence d'ADN de phage libre a été observée en liaison avec l'exclusion de surinfection. Pour conclure, si les phages sélectionnent des bactéries résistantes possédant des altérations dans les gènes impliqués dans la biogenèse ou la régulation des déterminants de la virulence, celle-ci sera probablement modifiée, d'une manière bénéfique ou préjudiciable, ce qui reste à étudier. L'utilisation du cocktail par rapport à l’infection simple, ne réduit pas de manière significative la fréquence de la résistance aux phages et en outre, nous montrons que la pseudolysogénie est un acteur majeur de la sélection de mutations.


  • Résumé

    Bacteriophages are obligate parasites of bacteria that can be defined as virulent or temperate according to their lifestyle: virulent phages perform a lytic cycle by injecting their genome in the bacterial cell and immediately multiply. Temperate phages, instead, can either perform a lytic, or a lysogenic cycle by integrating their genome into the bacterial chromosome and persisting in a dormant state until the lytic cycle is resumed. The viral genome can also be maintained in the bacterial cell in an episomal form for an undetermined period of time in a stage known as pseudolysogeny. P. aeruginosa, a bacterium commonly found in the environment and in association with many hosts including plants and animals, is responsible for severe nosocomial infections. A proportion of clinical strains are multidrug-resistant, possessing a high ability to form biofilms which are very difficult to eradicate with conventional treatments. It is therefore essential to find new therapeutic approaches, such as phage therapy. Numerous clinical data obtained in Eastern Europe and Russia attest the effectiveness and safety of phage therapy. However, there remain uncertainties related to their therapeutic use and particularly the high frequency of natural resistance. Our project aimed to better understand the dynamic of phage/bacteria interactions by studying the resistance mechanisms acting in the reference strain P. aeruginosa PAO1, against virulent phages. Infections were performed by combining phages belonging to four different genera: Ab05, a ФKMV-like podovirus, Ab09, a LIT1-like podovirus, Ab27, a PB1-like myovirus and Ab17, a KPP10-like myovirus, all isolated in our laboratory. Single or multiple infections of P. aeruginosa PAO1 were performed, and a collection of phage-resistant variants was isolated and analysed. The frequency of phage-resistant variants selection was 10⁻⁵ for single phage infection, and 10⁻⁶ for infections with cocktails of two or four phages. The phenotype and mobility of the variants was often affected, as compared to the parental strain. The genome of 27 variants was entirely sequenced by Illumina technology in order to identify mutations responsible for the resistance. Other variants were analysed by a candidate gene approach. We identified point mutations or small indels: in total, 27 independent mutations affected 14 genes and 1 regulatory region. The affected genes encode proteins involved in biosynthesis of type IV pili (T4P) and lipopolysaccharide (LPS), frequently used as receptors by the phages. Other mutations were observed in genes necessary for alginate production. Of interest, we found that half of the variants with mutations in genes involved in LPS biosynthesis possessed unstable phase variation mutations, responsible for translation frameshift. In contrast, genes involved in pilus type IV biogenesis were mainly subjected to deletions. Surprisingly, the presence of free phage DNA was found in association with exclusion of superinfection in half of the variants and no chromosomal mutation could be found in three of them. Thus, we showed that pseudolysogeny is a frequent outcome of infection by virulent phages of P. aeruginosa. Moreover, double mutants were selected at high frequency and this could presumably due to evolutionary pressure exerted by re-activation of lytic cycle in some cells of the pseudolysogen population. In conclusion, if phage predation selects for variants with alterations in genes involved in biogenesis or regulation of virulence determinants such as LPS or alginate, the resulting phage-resistant variants could potentially exhibit altered levels of virulence in a beneficial or detrimental way. The use of cocktail does not lower significantly the frequency of phage-resistance and in addition we show that pseudolysogeny is a major actor in the selection of mutations.


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