Etude des interactions hôte-pathogène sur le modèle Dosophila melanogaster- Bacillus cereus

par Zaynoun Attieh

Thèse de doctorat en Biologie moléculaire et cellulaire

Sous la direction de Vincent Sanchis-borja, Laure El chamy et de Mireille Kallassy.

Thèses en préparation à Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France en cotutelle avec l'Université Saint Joseph - Faculté des Sciences , dans le cadre de École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2015-....) , en partenariat avec MICALIS- Microbiologie de l'Alimentation au service de la santé humaine (laboratoire) .


  • Résumé

    Au cours du processus infectieux d'un pathogène, deux mécanismes opposés sont mis en jeu, à savoir les mécanismes de défense immunitaire de l'hôte et les stratégies d'échappement et de contournement développés par le pathogène. Cette confrontation fonctionnelle a été littéralement illustrée par l'expression « The battle of two genomes ». La compréhension de cette interaction complexe nécessite un organisme modèle qui puisse servir de plateforme pour examiner simultanément les deux faces de l'équation hôtes-pathogènes. Grâce à la puissance de ses outils génétiques et à l'avancement des connaissances sur ses mécanismes de défense immunitaire, la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster a émergé comme un organisme modèle adapté pour identifier et analyser les fonctions des gènes codant des facteurs de virulence. Comme pathogène, nous nous sommes intéressés aux bactéries appartenant au groupe Bacillus cereus. Ces bactéries présentent un double intérêt, d'ordre médical et agronomique, puisqu'elles regroupent à la fois des pathogènes d'humains et d'insectes. Notamment, B. thuringiensis est un pathogène d'insectes qui a été largement exploité pour l'élaboration de biopesticides. Le présent travail vise à explorer les stratégies élaborées par ces pathogènes, afin de leurrer le système immunitaire de l'hôte. La modification des composants de la paroi cellulaire est un moyen important pour les pathogènes de résister aux peptides antimicrobiens cationiques (CAMP), qui sont les principaux effecteurs de la réponse immunitaire innée. Ainsi, l'incorporation de résidus D-alanine aux acides téichoïques (AT) confère aux bactéries à Gram positif une charge négative externe réduite, altérant ainsi la liaison et l'interaction des CAMP. Cette modification de surface, catalysée par l'activité des gènes de l'opéron dlt. Ici, nous avons cherché à caractériser le rôle de cette modification de la paroi cellulaire dans la résistance de B. thuringiensis aux défenses de l'hôte à l'aide du modèle drosophile. L'analyse comparative du potentiel immunostimulateur de la souche sauvage et du mutant dlt, nous a permis de montrer, qu'au-delà de la résistance aux CAMP, la D-alanylation empêche la détection du pathogène par les récepteurs du système immunitaire inné, et donc l'induction de la voie IMD chez la drosophile. D'une façon intéressante, nous avons aussi montré que ce mécanisme a également été adopté par Lactobacillus plantarum, une bactérie dominante du microbiote intestinal, pour réguler son potentiel immunomodulateur et permettre sa persistance dans l'intestin de la drosophile. En effet, nos données montrent que la D-alanylation des AT limite la libération de fragments immunostimulateurs de peptidoglycane (PGN) et leur détection subséquente par le système immunitaire inné de l'hôte. Cette caractéristique provient, en partie, de sa résistance aux lysozymes cationiques intestinaux. Afin de caractériser d'autres mécanismes de virulence chez B. cereus, nous avons ensuite criblé une banque de mutants de la souche Bt407 de B. thuringiensis, pour un phénotype de sensibilité accrue aux CAMP. La caractérisation d'un mutant du gène fliK nous a permis de montrer que ce gène, nécessaire à l'assemblage flagellaire chez B. thuringiensis, permet également à la bactérie de limiter la libération de fragments immunostimulateurs de PGN. Ce résultat indique, pour la première fois, l'existence un lien entre le gène fliK, la stabilité de la matrice de la paroi cellulaire et l'immunité des insectes. L'ensemble de nos résultats permettent de mieux comprendre la pathogenèse et les effets probiotiques des espèces bactériennes et d'envisager de nouvelles stratégies de traitement des maladies infectieuses.

  • Titre traduit

    Deciphering Host- Pathogen interactions in the model Drosophila melanogaster - Bacillus cereus


  • Résumé

    During a pathogen infectious process, two opposing machineries are at play. On the one hand, host immune defence mechanisms and on the other hand, bacterial virulence strategies. This functional confrontation is nicely coined in the expression “The battle of two genomes”. To elucidate this complex interaction, a host organism model that serves as a platform to dissect both sides of the host-pathogen equation is required. Thanks to the power of its genetic tools and its long studied immune system, the fruit fly Drosophila melanogaster has emerged as a host model particularly adapted to identify and analyse virulence factors' functions. The identification of the virulence genes is of particular interest since it is essential for the onset of new therapeutic strategies for infectious diseases. In this study, we were interested in pathogens belonging to the Bacillus cereus group that are both of medical and agronomic interests, since they include both human and insect pathogens. Notably, B. thuringiensis is an insect pathogen, which has long been used for the elaboration of biopesticides. The present work aims to explore some strategies developed by these pathogens to deceive the host immune system during an infection. Modification of cell wall components is a prominent mean for pathogens to resist to cationic antimicrobial peptides (CAMPs), the core effectors of the innate immune system. Notably, D-alanine esterification of teichoic acids (TAs) confers Gram-positive bacteria species a reduced external negative charge, thereby altering the binding and interaction of CAMPs. This modification is accomplished by the products of the dlt operon genes. Here, using the Drosophila model, we aimed at characterizing the role of this cell wall modification in the resistance of B. thuringiensis to host defenses in vivo. Comparative analysis of the host induced immune response to an infection by a wild-type B. thuringiensis strain and its Δdlt mutant allowed us to identify and characterize a novel bacterial mechanism which impedes pathogen sensing by receptors of the innate immune system in Drosophila. Indeed, our data show that, beyond resistance to AMPs, D-alanylation of TAs impedes the sensing of the infection and the subsequent induction of the IMD pathway in Drosophila. Interestingly, we have shown that this mechanism is also adopted by Lactobacillus plantarum, a bona fide commensal, to fine-tune its immunomodulatory potential in the Drosophila gut. This characteristic stems in part from its resistance to intestinal cationic lysozymes and is essential for its persistence as a core component of Drosophila microbiota. Therefore, our data further give evidence that the D-alanylation of TAs in both pathogens and commensals, by providing resistance to host antimicrobial effectors, also limits the release of peptidoglycan immunostimulatory fragments and its subsequent sensing by cognate host innate immune receptors. Finally, in order to characterize other virulence mechanisms of B. cereus, we screened a random transposon insertion mutant library of B. thuringiensis strain 407 for increased AMPs sensitivity. We characterized one of the mutants for the fliK gene and showed that this gene is necessary for the assembly of the flagellum in B. thuringiensis. More importantly, our results indicate that fliK is also necessary to confer B. thuringiensis a resistance to antimicrobial effectors by limiting the release of PGN immunostimulatory fragments and thus, hampering the activation of IMD pathway. Altogether, our findings might yield new insights into the pathogenesis and the probiotic effects of bacterial species and potentially orient the development of therapeutic and prophylactic interventions.