On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Dominant negative MyD88 proteins inhibit interleukin-1beta /interferon-gamma -mediated induction of nuclear factor kappa B-dependent nitrite production and apoptosis in beta cells.

Insulin-dependent diabetes mellitus is an autoimmune disease in which pancreatic islet beta cells are destroyed by a combination of immunological and inflammatory mechanisms. In particular, cytokine-induced production of nitric oxide has been shown to correlate with beta cell apoptosis and/or inhibition of insulin secretion. In the present study, we investigated whether the interleukin (IL)-1beta intracellular signal transduction pathway could be blocked by overexpression of dominant negative forms of the IL-1 receptor interacting protein MyD88. We show that overexpression of the Toll domain or the lpr mutant of MyD88 in betaTc-Tet cells decreased nuclear factor kappaB (NF-kappaB) activation upon IL-1beta and IL-1beta/interferon (IFN)-gamma stimulation. Inducible nitric oxide synthase mRNA accumulation and nitrite production, which required the simultaneous presence of IL-1beta and IFN-gamma, were also suppressed by approximately 70%, and these cells were more resistant to cytokine-induced apoptosis as compared with parental cells. The decrease in glucose-stimulated insulin secretion induced by IL-1beta and IFN-gamma was however not prevented. This was because these dysfunctions were induced by IFN-gamma alone, which decreased cellular insulin content and stimulated insulin exocytosis. These results demonstrate that IL-1beta is involved in inducible nitric oxide synthase gene expression and induction of apoptosis in mouse beta cells but does not contribute to impaired glucose-stimulated insulin secretion. Furthermore, our data show that IL-1beta cellular actions can be blocked by expression of MyD88 dominant negative proteins and, finally, that cytokine-induced beta cell secretory dysfunctions are due to the action of IFN-gamma.

Ultrasensitive reporter protein detection in genetically engineered bacteria.

We demonstrate the use of laser-induced fluorescence confocal spectroscopy to measure analyte-stimulated enhanced green fluorescent protein (egfp) synthesis by genetically modified Escherichia coli bioreporter cells. Induction is measured in cell lysates and, since the spectroscopic focal volume is approximately the size of one bioreporter cell, also in individual live bacteria. This is, to our knowledge, the first ever proof-of-concept work utilizing instrumentation with single-molecule detection capability to monitor bioreporter response. Although we use arsenic inducible bioreporters here, the method is extensible to gfp/egfp bioreporters that are responsive to other substances.

Effects of flecainide on exercise-induced ventricular arrhythmias and recurrences in genotype-negative patients with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia.

BACKGROUND: Conventional therapy with beta-blockers is incompletely effective in preventing arrhythmic events in patients with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT). We have previously discovered that flecainide in addition to conventional drug therapy prevents ventricular arrhythmias in patients with genotype-positive CPVT. OBJECTIVE: To study the efficacy of flecainide in patients with genotype-negative CPVT. METHODS: We studied the efficacy of flecainide for reducing ventricular arrhythmias during exercise testing and preventing arrhythmia events during long-term follow-up. RESULTS: Twelve patients with genotype-negative CPVT were treated with flecainide. Conventional therapy failed to control ventricular arrhythmias in all patients. Flecainide was initiated because of significant ventricular arrhythmias (n = 8), syncope (n = 3), or cardiac arrest (n = 1). At the baseline exercise test before flecainide, 6 patients had ventricular tachycardia and 5 patients had bigeminal or frequent ventricular premature beats. Flecainide reduced ventricular arrhythmias at the exercise test in 8 patients compared to conventional therapy, similar to that in patients with genotype-positive CPVT in our previous report. Notably, flecainide completely prevented ventricular arrhythmias in 7 patients. Flecainide was continued in all patients except for one who had ventricular tachycardia at the exercise test on flecainide. During a follow-up of 48±94 months, arrhythmia events (sudden cardiac death and aborted cardiac arrest) associated with noncompliance occurred in 2 patients. Flecainide was not discontinued owing to side effects in any of the patients. CONCLUSIONS: Flecainide was effective in patients with genotype-negative CPVT, suggesting that spontaneous Ca(2+) release from ryanodine channels plays a role in arrhythmia susceptibility, similar to that in patients with genotype-positive CPVT.

Abnormal sensitivity to negative feedback in late-life depression.

AIMS: The purpose of the present study was to probe sensitivity to potentially misleading negative feedback on cognitive tasks as a possible mechanism of cognitive impairment in elderly patients with mild depression. METHODS: A total of 22 mildly depressed elderly subjects were compared to 22 healthy controls, using a computerized Tower-of-London task. RESULTS: Failure and magnitude of failure were significantly worse after negative but not positive feedback. Depression predicted failure after negative feedback but not the magnitude of failure. Neither failure nor magnitude of failure increased as a consequence of repeated negative feedback. CONCLUSIONS: Altered sensitivity to negative feedback occurs in mild late-life unipolar depression and may represent a subtle context-specific phenomenon.

Tuberculosis in HIV-negative and HIV-infected patients in a low-incidence country: clinical characteristics and treatment outcomes.

BACKGROUND: In Switzerland and other developed countries, the number of tuberculosis (TB) cases has been decreasing for decades, but HIV-infected patients and migrants remain risk groups. The aim of this study was to compare characteristics of TB in HIV-negative and HIV-infected patients diagnosed in Switzerland, and between coinfected patients enrolled and not enrolled in the national Swiss HIV Cohort Study (SHCS). METHODS AND FINDINGS: All patients diagnosed with culture-confirmed TB in the SHCS and a random sample of culture-confirmed cases reported to the national TB registry 2000-2008 were included. Outcomes were assessed in HIV-infected patients and considered successful in case of cure or treatment completion. Ninety-three SHCS patients and 288 patients selected randomly from 4221 registered patients were analyzed. The registry sample included 10 (3.5%) coinfected patients not enrolled in the SHCS: the estimated number of HIV-infected patients not enrolled in the SHCS but reported to the registry 2000-2008 was 146 (95% CI 122-173). Coinfected patients were more likely to be from sub-Saharan Africa (51.5% versus 15.8%, P<0.0001) and to present disseminated disease (23.9% vs. 3.4%, P<0.0001) than HIV-negative patients. Coinfected patients not enrolled in the SHCS were asylum seekers or migrant workers, with lower CD4 cell counts at TB diagnosis (median CD4 count 79 cells/µL compared to 149 cells/µL among SHCS patients, P = 0.07). There were 6 patients (60.0%) with successful outcomes compared to 82 (88.2%) patients in the SHCS (P = 0.023). CONCLUSIONS: The clinical presentation of coinfected patients differed from HIV-negative TB patients. The number of HIV-infected patients diagnosed with TB outside the SHCS is similar to the number diagnosed within the cohort but outcomes are poorer in patients not followed up in the national cohort. Special efforts are required to address the needs of this vulnerable population.

Intracellular bacteria and adverse pregnancy outcomes.

Clin Microbiol Infect 2011; 17: 1312-1322 ABSTRACT: This review considers the role of intracellular bacteria in adverse pregnancy outcomes, such as miscarriage, stillbirths, and preterm labour. The cause of miscarriage, stillbirth and preterm labour often remains unexplained. Intracellular bacteria that grow either poorly or not at all on media used routinely to detect human pathogens could be the aetiological agents of these obstetric conditions. For example, Listeria monocytogenes and Coxiella burnetti are intracellular bacteria that have a predilection for the fetomaternal unit and may induce fatal disease in the mother and/or fetus. Both are important foodborne or zoonotic pathogens in pregnancy. Preventive measures, diagnostic tools and treatment will be reviewed. Moreover, we will also address the importance in adverse pregnancy outcomes of other intracellular bacteria, including Brucella abortus and various members of the order Chlamydiales. Indeed, there is growing evidence that Chlamydia trachomatis, Chlamydia abortus and Chlamydia pneumoniae infections may also result in adverse pregnancy outcomes in humans and/or animals. Moreover, newly discovered Chlamydia-like organisms have recently emerged as new pathogens of both animals and humans. For example, Waddlia chondrophila, a Chlamydia-related bacterium isolated from aborted bovine fetuses, has also been implicated in human miscarriages. Future research should help us to better understand the pathophysiology of adverse pregnancy outcomes caused by intracellular bacteria and to determine the precise mode of transmission of newly identified bacteria, such as Waddlia and Parachlamydia. These emerging pathogens may represent the tip of the iceberg of a large number of as yet unknown intracellular pathogenic agents.

Genomics of "chlamydia"-related bacteria

AbstractThe Chlamydiales order is an important bacterial phylum that comprises some of the most successful human pathogens such as Chlamydia trachomatis, the leading infectious cause of blindness worldwide. Since some years, several new bacteria related to Chlamydia have been discovered in clinical or environmental samples and might represent emerging pathogens. The genome sequencing of classical Chlamydia has brought invaluable information on these obligate intracellular bacteria otherwise difficult to study due to the lack of tools to perform basic genetic manipulation. The recent emergence of high-throughput sequencing technologies yielding millions of reads in a short time lowered the costs of genome sequencing and thus represented a unique opportunity to study Chlamydia-re\ated bacteria. Based on the sequencing and the analysis of Chlamydiales genomes, this thesis provides significant insights into the genetic determinants of the intracellular lifestyle, the pathogenicity, the metabolism and the evolution of Chlamydia-related bacteria. A first approach showed the efficacy of rapid sequencing coupled to proteomics to identify immunogenic proteins. This method, particularly useful for an emerging pathogen such as Parachlamydia acanthamoebae, enabled us to discover good candidates for the development of diagnostic tools that would permit to evaluate at larger scale the role of this bacterium in disease. Second, the complete genome of Waddlia chondrophila, a potential agent of miscarriage, encodes numerous virulence factors to manipulate its host cell and resist to environmental stresses. The reconstruction of metabolic pathways showed that the bacterium possesses extensive capabilities compared to related organisms. However, it is still incapable of synthesizing some essential components and thus has to import them from its host. Third, the genome comparison of Protochlamydia naegleriophila to its closest known relative Protochlamydia amoebophila revealed a particular evolutionary dynamic with the occurrence of an unexpected genome rearrangement. Fourth, a phylogenetic analysis of P. acanthamoebae and Legionella drancourtii identified several genes probably exchanged by horizontal gene transfer with other intracellular bacteria that might occur within their amoebal host. These genes often encode mechanisms for resistance to metal or toxic compounds. As a whole, the analysis of the different genomes enabled us to highlight a large diversity in size, GC percentage, repeat content as well as plasmid organization. The abundant genomic data obtained during this thesis have a wide impact since they provide the necessary bases for detailed investigations on countless aspects of the biology and the evolution of Chlamydia-related bacteria, whether in wet lab or by bioinformatical analyses.RésuméL'ordre des Chlamydiales est un important phylum bactérien qui comprend de nombreuses espèces pathogènes pour l'homme et les animaux, dont Chlamydia trachomatis, responsable du trachome, la cause majeure de cécité d'origine infectieuse à travers le monde. Durant ces dernières décennies, de nombreuses bactéries apparentées aux Chlamydia ont été découvertes dans des échantillons environnementaux ou cliniques mais leur éventuel rôle pathogène dans le développement de maladies reste peu connu. Ces bactéries sont des intracellulaires obligatoires car elles ont besoin d'une cellule hôte pour se multiplier, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. Le développement de nouvelles technologies permettant de séquencer le génome d'un organisme rapidement et à moindre coût ainsi que l'essor des méthodes d'analyse s'y rapportant représentent une opportunité exceptionnelle d'étudier ces organismes. Dans ce contexte, cette thèse démontre l'utilité de la génomique pour développer de nouveaux outils diagnostiques ainsi que pour étudier le métabolisme de ces bactéries, leurs facteurs de virulence et leur évolution.Ainsi, une première approche a illustré l'utilité d'un séquençage rapide pour obtenir les informations nécessaires à l'identification de protéines qui sont reconnues par des anticorps humains ou animaux. Cette méthode, particulièrement utile pour un pathogène émergent tel que Parachlamydia acanthamoebae, a permis de découvrir de bons candidats pour le développement d'un outil diagnostique qui permettrait d'évaluer à plus large échelle le rôle de cette bactérie notamment dans la pneumonie. L'analyse du contenu génique de Waddlia chondrophila, un autre germe qui pourrait être impliqué dans les avortements et tes fausses-couches, a en outre mis en évidence la présence de nombreux facteurs connus qui lui permettent de manipuler son hôte. Cette bactérie possède de plus grandes capacités métaboliques que les autres Chlamydia, mais elle est incapable de synthétiser certains composants et doit donc les importer de son hôte pour subvenir à ses besoins. La comparaison du génome de Protochlamydia naegleriophila à son plus proche parent, Protochlamydia amoebophila, a dévoilé une évolution dynamique particulière avec l'occurrence d'un réarrangement majeur inattendu après la séparation de ces deux espèces. En outre, ces études ont montré l'occurrence de plusieurs transferts de gène avec d'autres organismes plus éloignés, notamment d'autres intracellulaires d'amibes, souvent pour l'acquisition de mécanismes de résistances à des composés toxiques. Les données génomiques acquises durant ce travail posent les fondements nécessaires a de nombreuses analyses qui permettront progressivement de mieux comprendre de nombreux aspects de ces bactéries fascinantes.

EGFR signalling as a negative regulator of Notch1 gene transcription and function in proliferating keratinocytes and cancer.

The Notch1 gene has an important role in mammalian cell-fate decision and tumorigenesis. Upstream control mechanisms for transcription of this gene are still poorly understood. In a chemical genetics screen for small molecule activators of Notch signalling, we identified epidermal growth factor receptor (EGFR) as a key negative regulator of Notch1 gene expression in primary human keratinocytes, intact epidermis and skin squamous cell carcinomas (SCCs). The underlying mechanism for negative control of the Notch1 gene in human cells, as well as in a mouse model of EGFR-dependent skin carcinogenesis, involves transcriptional suppression of p53 by the EGFR effector c-Jun. Suppression of Notch signalling in cancer cells counteracts the differentiation-inducing effects of EGFR inhibitors while, at the same time, synergizing with these compounds in induction of apoptosis. Thus, our data reveal a key role of EGFR signalling in the negative regulation of Notch1 gene transcription, of potential relevance for combinatory approaches for cancer therapy.

Frequency-dependent sexual selection with respect to offspring fitness returns is consistent with predictions from rock-paper-scissors dynamics in the European common lizard

Genetic polymorphism can be maintained over time by negative frequency-dependent (FD) selection induced by Rock-paper-scissors (RPS) social systems. RPS games produce cyclic dynamics, and have been suggested to exist in lizards, insects, isopods, plants, and bacteria. Sexual selection is predicted to accentuate the survival of the future progeny during negative FD survival selection. More specifically, females are predicted to select mates that produce progeny genotypes that exhibit highest survival during survival selection imposed by adult males. However, no empirical evidence demonstrates the existence of FD sexual selection with respect to fitness payoffs of genetic polymorphisms. Here we tested this prediction using the common lizard Zootoca vivipara, a species with three male color morphs (orange, white, yellow) that exhibit morph frequency cycles. In a first step we tested the congruence of the morph frequency change with the predicted change in three independent populations, differing in male color morph frequency and state of the FD morph cycle. Thereafter we ran standardized sexual selection assays in which we excluded alternative mechanisms that potentially induce negative FD selection, and we quantified inter-sexual behavior. The patterns of sexual selection and the observed behavior were in line with context-dependent female mate choice and male behavior played a minor role. Moreover, the strength of the sexual selection was within the magnitude of selection required to produce the observed 3-4-year and 6-8 year morph frequency cycles at low and high altitudes, respectively. In summary, the study provides the first experimental evidence that underpins the crucial assumption of the RPS games suggested to exist in lizards, insects, isopods, and plants; namely, that sexual selection produces negative-FD selection. This indicates that sexual selection, in our study exert by females, might be a crucial driver of the maintenance of genetic polymorphisms.

The Role of Secretory Immunoglobulin A in the Natural Sensing of Commensal Bacteria by Mouse Peyer's Patch Dendritic Cells.

The mammalian gastrointestinal (GI) tract harbors a diverse population of commensal species collectively known as the microbiota, which interact continuously with the host. From very early in life, secretory IgA (SIgA) is found in association with intestinal bacteria. It is considered that this helps to ensure self-limiting growth of the microbiota and hence participates in symbiosis. However, the importance of this association in contributing to the mechanisms ensuring natural host-microorganism communication is in need of further investigation. In the present work, we examined the possible role of SIgA in the transport of commensal bacteria across the GI epithelium. Using an intestinal loop mouse model and fluorescently labeled bacteria, we found that entry of commensal bacteria in Peyer's patches (PP) via the M cell pathway was mediated by their association with SIgA. Preassociation of bacteria with nonspecific SIgA increased their dynamics of entry and restored the reduced transport observed in germ-free mice known to have a marked reduction in intestinal SIgA production. Selective SIgA-mediated targeting of bacteria is restricted to the tolerogenic CD11c(+)CD11b(+)CD8(-) dendritic cell subset located in the subepithelial dome region of PPs, confirming that the host is not ignorant of its resident commensals. In conclusion, our work supports the concept that SIgA-mediated monitoring of commensal bacteria targeting dendritic cells in the subepithelial dome region of PPs represents a mechanism whereby the host mucosal immune system controls the continuous dialogue between the host and commensal bacteria.

Intestinal bacteria condition dendritic cells to promote IgA production.

Immunoglobulin (Ig) A represents the predominant antibody isotype produced at the intestinal mucosa, where it plays an important role in limiting the penetration of commensal intestinal bacteria and opportunistic pathogens. We show in mice that Peyer's Patch-derived dendritic cells (PP-DC) exhibit a specialized phenotype allowing the promotion of IgA production by B2 cells. This phenotype included increased expression of the retinaldehyde dehydrogenase 1 (RALDH1), inducible nitric oxide synthase (iNOS), B cell activating factor of the tumor necrosis family (BAFF), a proliferation-inducing ligand (APRIL), and receptors for the neuropeptide vasoactive intestinal peptide (VIP). The ability of PP-DC to promote anti-CD40 dependent IgA was partially dependent on retinoic acid (RA) and transforming growth factor (TGF)-beta, whilst BAFF and APRIL signaling were not required. Signals delivered by BAFF and APRIL were crucial for CD40 independent IgA production, although the contribution of B2 cells to this pathway was minimal. The unique ability of PP-DC to instruct naïve B cells to differentiate into IgA producing plasma cells was mainly imparted by the presence of intestinal commensal bacteria, and could be mimicked by the addition of LPS to the culture. These data indicate that exposure to pathogen-associated molecular patterns present on intestinal commensal bacteria condition DC to express a unique molecular footprint that in turn allows them to promote IgA production.

Histone deacetylase inhibitors impair innate immune responses

SUMMARYThe innate immune system plays a central role in host defenses against invading pathogens. Innate immune cells sense the presence of pathogens through pattern recognition receptors that trigger intracellular signaling, leading to the production of pro-inflammatory mediators like cytokines, which shape innate and adaptive immune responses. Both by excess and by default inflammation may be detrimental to the host. Indeed, severe sepsis and septic shock are lethal complications of infections characterized by a dysregulated inflammatory response.In recent years, members of the superfamily of histone deacetylases have been the focus of great interest. In mammals, histone deacetylases are broadly classified into two main subfamilies comprising histone deacetylases 1-11 (HDAC1-11) and sirtuins 1-7 (SIRT1-7). These enzymes influence gene expression by deacetylating histones and numerous non-histone proteins. Histone deacetylases have been involved in the development of oncologic, metabolic, cardiovascular, neurodegenerative and autoimmune diseases. Pharmacological modulators of histone deacetylase activity, principally inhibitors, have been developed for the treatment of cancer and metabolic diseases. When we initiated this project, several studies suggested that inhibitors of HDAC 1-11 have anti-inflammatory activity. Yet, their influence on innate immune responses was largely uncharacterized. The present study was initiated to fill in this gap.In the first part of this work, we report the first comprehensive study of the effects of HDAC 1- 11 inhibitors on innate immune responses in vitro and in vivo. Strikingly, expression studies revealed that HDAC1-11 inhibitors act essentially as negative regulators of basal and microbial product- induced expression of critical immune receptors and antimicrobial products by mouse and human innate immune cells like macrophages and dendritic cells. Furthermore, we describe a new molecular mechanism whereby HDAC1-11 inhibitors repress pro-inflammatory cytokine expression through the induction of the expression and the activity of the transcriptional repressor Μί-2β. HDAC1-11 inhibitors also impair the potential of macrophages to engulf and kill bacteria. Finally, mice treated with an HDAC inhibitor are more susceptible to non-severe bacterial and fungal infection, but are protected against toxic and septic shock. Altogether these data support the concept that HDAC 1-11 inhibitors have potent anti-inflammatory and immunomodulatory activities in vitro and in vivo.Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is a pro-inflammatory cytokine that plays a central role in innate immune responses, cell proliferation and oncogenesis. In the second part of this manuscript, we demonstrate that HDAC1-11 inhibitors inhibit MIF expression in vitro and in vivo and describe a novel molecular mechanism accounting for these effects. We propose that inhibition of MIF expression by HDAC 1-11 inhibitors may contribute to the antitumorigenic and anti-inflammatory effects of these drugs.NAD+ is an essential cofactor of sirtuins activity and one of the major sources of energy within the cells. Therefore, sirtuins link deacetylation to NAD+ metabolism and energy status. In the last part of this thesis, we report preliminary results indicating that a pharmacological inhibitor of SIRT1-2 drastically decreases pro-inflammatory cytokine production (RNA and protein) and interferes with MAP kinase intracellular signal transduction pathway in macrophages. Moreover, administration of the SIRT1-2 inhibitor protects mice from lethal endotoxic shock and septic shock.Overall, our studies demonstrate that inhibitors of HDAC1-11 and sirtuins are powerful anti-inflammatory molecules. Given their profound negative impact on the host antimicrobial defence response, these inhibitors might increase the susceptibility to opportunistic infections, especially in immunocompromised cancer patients. Yet, these inhibitors might be useful to control the inflammatory response in severely ill septic patients or in patients suffering from chronic inflammatory diseases.

Regulation of the Gac/Rsm pathway in "Pseudomonas fluorescens" CHA0

SUMMARY : Two-component systems are key mediators implicated in the response of numerous bacteria to a wide range of signals and stimuli. The two-component system comprised of the sensor kinase GacS and the response regulator GacA is broadly distributed among γ-proteobacteria bacteria and fulfils diverse functions such as regulation of carbon storage and expression of virulence. In Pseudomonas fluorescens, a soil bacterium which protects plants from root-pathogenic fungi and nematodes, the GacS/GacA two-component system has been shown to be essential for the production of secondary metabolites and exoenzymes required for the biocontrol activity of the bacterium. The regulatory cascade initiated by GacS/GacA consists of two translational repressor proteins, RsmA and RsmE, as well as three GacAcontrolled small regulatory RNAs RsmX, RsmY and RsmZ, which titrate RsmA and RsmE to allow the expression of biocontrol factors. Genetic analysis revealed that two additional sensor kinases termed RetS and Lads were involved as negative and positive control elements, respectively, in the Gac/Rsm pathway in P. fluoresens CHAO. Furthermore, it could be proposed that RetS and Lads interact with GacS, thereby modulating the expression of antibiotic compounds and hydrogen cyanide, as well as the rpoS gene encoding the stress and stationary phase sigma factor σ. Temperature was found to be an important environmental cue that influences the Gac/Rsm network. Indeed, the production of antibiotic compounds and hydrogen cyanide was reduced at 35°C, by comparison with the production at 30°C. RetS was identified to be involved in this temperature control. The small RNA RsmY was confirmed to be positively regulated by GacA and RsmA/RsmE. Two essential regions were identified in the rsmY promoter by mutational analysis, the upstream activating sequence (UAS) and the linker sequence. Although direct experimental evidence is still missing, several observations suggest that GacA may bind to the UAS, whereas the linker region would be recognized by intermediate RsmA/RsmEdependent repressors and/or activators. In conclusion, this work has revealed new elements contributing to the function of the signal transduction mechanisms in the Gac/Rsm pathway. RESUME : Les systèmes ä deux composants sont des mécanismes d'une importance notoire que beaucoup de bactéries utilisent pour faire face et répondre aux stimuli environnementaux. Le système à deux composants comprenant le senseur GacS et le régulateur de réponse GacA est très répandu chez les γ-protéobactéries et remplit des fonctions aussi diverses que la régulation du stockage de carbone ou l'expression de la virulence. Chez Pseudomonas fluorescens CHAO, une bactérie du sol qui protège les racines des plantes contre des attaques de champignons et nématodes pathogènes, le système à deux composants GacS/GacA est essentiel à la production de métabolites secondaires et d'exoenzymes requis pour l'activité de biocontrôle de la bactérie. La cascade régulatrice initiée pas GacS/GacA fait intervenir deux protéines répresseur de traduction, RsmA et RsmE, ainsi que trois petits ARNs RsmX, RsmY et RsmZ, dont la production est contrôlée par GacA. Ces petits ARNs ont pour rôle de contrecarrer l'action des protéines répressseur de la traduction, ce qui permet l'expression de facteurs de biocontrôle. Des analyses génétiques ont révélé la présence de deux senseurs supplémentaires, appelés Rets et Lads, qui interviennent dans la cascade Gac/Rsm de P. fluorescens. L'impact de ces senseurs est, respectivement, négatif et positif. Ces interactions ont apparenunent lieu au niveau de GacS et permettent une modulation de l'expression des antibiotiques et de l'acide cyanhydrique, ainsi que du gène rpoS codant pour le facteur sigma du stress. La température s'est révélée être un facteur environnemental important qui influence la cascade Gac/Rsm. Il s'avère en effet que la production d'antibiotiques ainsi que d'acide cyanhydrique est moins importante à 35°C qu'à 30°C. L'implication du senseur Rets dans ce contrôle par la température a pu être démontrée. La régulation positive du petit ARN RsmY par GacA et RsmA/RsmE a pu être confirmée; par le biais d'une analyse mutationelle, deux régions essentielles ont pu être mises en évidence dans la région promotrice de rsmY. Malgré le manque de preuves expérimentales directes, certains indices suggèrent que GacA puisse directement se fixer sur une des deux régions (appelée UAS), tandis que la deuxième région (appelée linker) serait plutôt reconnue par des facteurs intermédiaires (activateurs ou répresseurs) dépendant de RsmA/RsmE. En conclusion, ce travail a dévoilé de nouveaux éléments permettant d'éclairer les mécanismes de transduction des signaux dans la cascade Gac/Rsm.

Cryo-negative staining reveals conformational flexibility within yeast RNA polymerase I.

The structure of the yeast DNA-dependent RNA polymerase I (RNA Pol I), prepared by cryo-negative staining, was studied by electron microscopy. A structural model of the enzyme at a resolution of 1.8 nm was determined from the analysis of isolated molecules and showed an excellent fit with the atomic structure of the RNA Pol II Delta4/7. The high signal-to-noise ratio (SNR) of the stained molecular images revealed a conformational flexibility within the image data set that could be recovered in three-dimensions after implementation of a novel strategy to sort the "open" and "closed" conformations in our heterogeneous data set. This conformational change mapped in the "wall/flap" domain of the second largest subunit (beta-like) and allows a better accessibility of the DNA-binding groove. This displacement of the wall/flap domain could play an important role in the transition between initiation and elongation state of the enzyme. Moreover, a protrusion was apparent in the cryo-negatively stained model, which was absent in the atomic structure and was not detected in previous 3D models of RNA Pol I. This structure could, however, be detected in unstained views of the enzyme obtained from frozen hydrated 2D crystals, indicating that this novel feature is not induced by the staining process. Unexpectedly, negatively charged molybdenum compounds were found to accumulate within the DNA-binding groove, which is best explained by the highly positive electrostatic potential of this region of the molecule, thus, suggesting that the stain distribution reflects the overall surface charge of the molecule.