Principaux mécanismes moléculaires de la brucellose chronique : capacité à former des biofilms dans le genre Brucella

par Maryne Jay

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Virginie Mick et de Karine Laroucau.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de Ecole Doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (2000-2015 ; Paris) , en partenariat avec Zoonoses bactériennes - Unité ANSES (laboratoire) depuis le 01-11-2015 .


  • Résumé

    Les Brucella sont des bactéries intracellulaires facultatives, capables de se soustraire à des mécanismes de défense de l'hôte et de survivre à l'intérieur des phagocytes pour de longues périodes. Cette persistance intracellulaire a été suggérée comme une explication de la chronicité de la brucellose. La chronicité de l'infection à Brucella chez l'homme est bien connue, et les lésions les plus fréquemment rapportées sont associées à la maladie focale. Bien que reconnue chez les animaux, la persistance de Brucella et son impact sur la santé animale sont moins étudiés que la maladie chronique humaine. Les tests sérologiques actuels sont définis et validés pour la détection des infections aiguës, ce qui limite le diagnostic d'une maladie chronique à long terme. En conséquence, la brucellose chronique représente un défi pour les programmes de surveillance et d'éradication dans les pays indemnes, ainsi que dans les zones endémiques. En France, indemne de brucellose bovine depuis 2005, l'identification récente d'un réservoir bouquetin à B. melitensis biovar 3 avec transmission aux ruminants domestiques souligne la persistance silencieuse de Brucella dans la faune sauvage sur une période de deux décennies. Les études de génotypage, une surveillance exhaustive, ainsi que des études comportementales de la faune sauvage renforcent l'hypothèse que la réactivation d'une infection latente chez un vieil animal pourrait avoir contribuée à la ré-émergence de la brucellose. Des conclusions similaires pourraient être émises concernant la ré-emergence de l'infection à B. abortus biovar 3 en 2010 et 2012 chez les bovins en Belgique, un pays indemne de brucellose bovine depuis 2003. Selon toute évidence, certains mécanismes impliqués dans la persistance non réplicative peuvent être partagés entre les agents pathogènes intracellulaires chroniques, comme Mycobacterium tuberculosis, Helicobacter pylori ou Brucella spp. Dans le monde des micro-organismes, 80% de la biomasse microbienne réside sous forme de biofilms, fortement associés à des infections chroniques humaines et animales. En effet, les biofilms sont des réservoirs bactériens ubiquitaires impliqués jusqu'à 80% dans toutes les infections. Les biofilms, capables d'adhérer sur un matériau inerte ainsi que des surfaces biotiques (tissus vivants tels que les cellules de l'épithélium), sont des communautés fonctionnellement organisées de cellules agrégées, enchâssées dans une matrice de substances polymériques extracellulaires. Les observations cliniques soulignent l'importance des biofilms (et leurs complications associées) dans les infections chroniques et récurrentes qui résistent aux réponses immunitaires de l'hôte et aux biocides (antibiotiques, désinfectants), mettant en évidence la capacité des bactéries à persister in vivo. En réponse à une cascade de signaux Quorum Sensing, la formation de biofilm est bien documentée, incluant des agents pathogènes vétérinaires importants, comme Staphylococcus epidermidis, Acinetobacter baumannii, Campylobacter jejuni... La capacité à former des biofilms dépend de gènes structurels et de processus de régulation spécifiques. Il est intéressant de constater que ce système biologique structurellement complexe et dynamique est habituellement composé de plusieurs genres bactériens. Il est supposé que les souches incapables de former des biofilms peuvent néanmoins être associées avec des communautés bactériennes (par exemple: E. coli O157: H7, Listeria monocytogenes). L'existence / importance des biofilms, négligés à ce jour, dans le processus global de la pathogénie de la brucellose est inconnue. Des études récentes de génomique et génétique désignent la possible capacité de B. melitensis et B. abortus pour former des structures analogues aux biofilms, avec production d'exopolysaccharides et phénotype d'agglutination, dans des conditions particulières, comme les conditions microaérobiques. Nous proposons (i) de déterminer dans les génomes de Brucella précédemment séquencés la présence d'éléments nécessaires à la formation de biofilms et impliqués dans le système Quorum Sensing chez les bactéries à Gram-négatif et (ii) de développer des modèles in vitro de biofilms brucelliques afin d'identifier les gènes de Brucella exprimés de manière différentielle dans les conditions biofilm et celles de la phase planctonique. Une meilleure compréhension du Quorum Sensing et la détection de molécules signal, appelées auto-inducteurs, produites pour les communications inter- et intraspécifiques au sein du biofilm permettront de concevoir de nouvelles approches pour lutter contre la persistance des Brucella et d'identifier de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic des infections à un stade précoce et leur suivi.

  • Titre traduit

    Main molecular mechanisms of long-term chronic brucellosis: capacity for biofilm formation in the Brucella genus


  • Résumé

    Brucella are facultative intracellular bacteria, capable of evading host defence mechanisms and of surviving inside the phagocytes for long periods. This intracellular persistence has been suggested as one explanation for the chronicity of brucellosis. The chronicity of Brucella infection in humans is well-known, and lesions most commonly reported are associated with focal disease. Although recognized in animals, Brucella persistence and its impact on animal health are less investigated than the human chronic disease. Current serological tests are defined and validated for detection of acute infections, limiting the diagnosis of long-term chronic disease. Accordingly, chronic brucellosis represents a challenge for surveillance/eradication programs in the free countries, as well as in the endemic zones. In France, the recent identification of a B. melitensis biovar 3 ibex reservoir –with spillover to domestic ruminants– emphasizes the silent persistence of Brucella in wildlife over a two-decade period. Genotyping studies, exhaustive surveillance systems, as well as wildlife behavioral studies strengthen the assumption that reactivation of a latent infection in an old animal might have contributed to the re-emergence of brucellosis. Similar conclusions might be hypothesized for the B. abortus biovar 3 re-emergence in 2010 and 2012 in cattle in Belgium, a bovine brucellosis free country since 2003. There is considerable evidence that some mechanisms for long-term non replicating persistence may be shared among chronic intracellular pathogens, as Mycobacterium tuberculosis, Helicobacter pylori or Brucella spp. In the microorganism world, 80 % of the microbial biomass resides in the form of biofilms, strongly associated with human and animal chronic infections. Indeed, biofilms are ubiquitous bacterial reservoirs involved in up to 80 % of all infections. Biofilms, able to attach on inert material as well as biotic surfaces (live tissues such as epithelium cells), are functionally organized communities of aggregated cells embedded in a matrix of extracellular polymeric substances. Clinical observations emphasize the importance of biofilms (and their associated complications) to chronic and recurrent infections that resist host immune responses and biocides (antibiotics, disinfectants), highlighting ability of bacteria to persist in vivo. In response to signal system quorum sensing, biofilm formation is well-documented, including in important veterinary pathogens, as Staphylococcus epidermidis, Acinetobacter baumanii, Campylobacter jejuni… The ability to form biofilms depends on specific structural genes and regulatory processes. Interestingly, this structurally and dynamically complex biological system is usually composed of several bacterial genera. It is assumed that strains unable to form biofilms can nevertheless be associated with bacterial communities (e.g.: E. coli O157:H7, Listeria monocytogenes). The existence/importance of biofilms, neglected to date, in the overall process of brucellosis pathogenesis is unknown. Recent studies in genomics and genetics highpoint the putative ability of B. melitensis and B. abortus to form some biofilm-like structures, including exopolysaccharide production and clumping phenotype, in particular conditions (e.g. microaerobic conditions). We propose (i) to determine in previously sequenced Brucella genomes the presence of necessary elements for biofilm formation and for quorum sensing system in Gram-negative bacteria and (ii) to develop in vitro models of Brucella biofilms in order to identify Brucella genes differentially expressed in comparison biofilm vs planktonic phase. Better understanding of quorum sensing and detection of signal molecules produced for inter- and intraspecies communications, auto-inducers, within the biofilm would design new approaches to fight against Brucella persistence and to identify new biomarkers for diagnosis at early stages and follow-up of infections.