Caractérisation préliminaire du commensalisme de Lactobacillus johnsonii dans l’intestin de la souris : du phénotype au génotype

par Emmanuel Denou

Thèse de doctorat en Sciences agronomiques, biotechnologie agro-alimentaire

Sous la direction de Jean-Michel Panoff.

Soutenue en 2006

à Caen .

mots clés

• Lactobacilles
• Bifidobacterium
• Escherichia coli
• Génétique
• Tube digestif -- Microbiologie
• Commensalisme
• Souris -- Nutrition
• Bactériophages

Résumé

Le tractus digestif des mammifères est composé d’une microflore dont la complexité limite l'analyse interactive. Les modèles animaux mono-associés permettent l'étude de l’interaction entre une bactérie et son hôte et non celle entre bactéries. Celle-ci est essentielle pour comprendre les processus de persistance et de coopération/compétition dans l’intestin. Le travail présenté dans ce mémoire correspond à l'identification de facteurs régissant la colonisation et les interactions de trois bactéries commensales : Escherichia coli, Lactobacillus johnsonii et Bifidobacterium longum. Après la détermination de la distribution anatomique de ces micro-organismes dans le tube digestif, ce microcosme a été volontairement perturbé par l’introduction de trois autres souches d’ Escherichia, Lactobacillus ou Bifidobacterium. Les transcriptomes de Bifidobacterium longum et de Lactobacillus johnsonii isolés de différents segments intestinaux ont été comparés et les résultats de cette analyse confirment la théorie des niches nutritionnelles. Pour persister dans le tractus gastro-intestinal, une bactérie doit développer un taux de réplication et des activités métaboliques en conséquence. Cependant, l’importance environnementale de certains gènes ne peut être observée qu' in vivo. La combinaison de l'analyse génomique comparative et de la mutagenèse spécifique associée à un système expérimental animal a été nécessaire pour mieux définir les performances écologiques des souches étudiées. Ainsi, une approche génomique et transcriptomique a été appliquée à deux isolats de Lactobacillus johnsonii caractérisés par des temps de persistance différents dans le tube digestif de la souris. Cette approche mixte a permis d’identifier trois groupes de gènes impliqués dans la persistance. Ces résultats ont été confirmés en comparant, par compétition in vivo, la persistance de la souche sauvage et celle de mutants isogéniques présentant une délétion des gènes impliqués. Nous avons observé que la délétion de gènes, codant pour le transport d’un sucre et pour une protéase d’IgA, diminue le temps de résidence dans l'intestin, à l'inverse, un mutant obtenu par délétion des gènes impliqués dans la synthèse des exopolysaccharides s’est avéré capable de résider plus longtemps.

Titre traduit

Preliminary characterization of Lactobacillus johnsonii ‘s commensalism in the murine gut : from phenotype to genotype

Résumé

The microbiota complexity in mammal gut seriously hampers the analysis of microbe-microbe and microbe-host interactions in situ. Microbes compete for colonization sites on the gut surface and for the use of food resources. At the same time, they cooperate in the digestion of complex food substrates, where the waste of one bacterium becomes the food of another bacterium. Currently, the relative contribution of competition and cooperation at the microbe/microbe interface is not well understood. The aim of this work was to explore the interaction of three common gut commensals, namely Escherichia coli, Lactobacillus and Bifidobacterium, which were jointly introduced into axenic mice. After determination of their anatomical distribution, the system was disturbed by the introduction of three other strains of Escherichia, Lactobacillus and Bifidobacterium. To obtain an idea about their physiological activity, we performed expression profiling analysis of B. Longum and Lb. Johnsonii along the different gut segments, and the results of this analys supported the nutrient niche theory. Moreover, an important task is to associate the in vivo phenotype, displayed by a bacterium in its ecological niche, with its genotype. Thus, genes affecting the intestinal residence time between two Lb. Johnsonii strains were targeted for analysis. We hypothesized that the underlying genes are specific for the long-persisting strain and are expressed during gut passage of the bacterium. Fusion of datasets from comparative genomic and in vivo expression profiling analysis identified three gene loci that were expressed in vivo and specific to the gut ecotype. Knock-out mutants were constructed for all three loci to investigate their involvement in the gut residence phenotype. The experiments revealed that the deletion of genes annotated as a sugar transporter and an IgA protease decreased the residence time, while a mutant with a deleted exopolysaccharide cluster showed an increased persistence time.