Role and regulation of polyphosphate in leishmania parasites

Le protozoaire unicellulaire Leishmania est l'agent responsable de la leishmaniose, une maladie parasitaire humaine qui se manifeste par des lésions de la peau, se résolvant le plus souvent spontanément, jusqu'à des lésions viscérales fatales. Le parasite est transmis de l'insecte à l'hôte mammifère lors d'un repas sanguin de la mouche des sables et y réside respectivement sous formes extra- et intracellulaires. On estime que cette maladie touche environ 12 millions de personnes dans 98 pays. Etant donné que les médicaments disponibles à ce jour sont faiblement efficaces et/ou hautement toxiques, il est indispensable de consolider les connaissances sur le fonctionnement et la survie du parasite pour pouvoir développer de nouvelles stratégies de traitements et de préventions. Tous les organismes vivants, dont Leishmania, contiennent du polyphopshate (polyP). Cette molécule chargée négativement est constituée de trois jusqu'à plusieurs centaines de résidus de phosphates reliées par des liaisons à haute énergie. Le polyP sert donc de source d'énergie et de réservoir de phosphate; dans certaines espèces, il joue aussi un rôle dans l'adaptation au stress et la virulence de pathogènes. Ceci nous a amené à étudier le rôle du polyP dans le parasite Leishmania. L'enzyme responsable de la synthèse de polyP a été identifié récemment dans la levure : il s'agit de la chaperone de transport vacuolaire 4 (Vtc4). Nous avons identifié un homologue de Vtc4 chez les Trypanosomatidae, et avons donc décidé d'examiner sa fonction dans le métabolisme du polyP chez Leishmania. En éliminant l'expression de Vtc4 chez L. major et L. guyanensis, nous avons pu démontrer qu'il est indispensable pour la production de polyP chez Leishmania. De plus, nous avons constaté que ces parasites possèdent des chaînes de polyP allant de trois jusqu'à environ 300 résidus de phosphate. Le taux de polyP dans la cellule est précisément régulé et varie entre un très haut niveau durant la phase proliférative des promastigotes à un niveau bas en phase stationnaire tardive, alors que l'expression de Vtc4p reste stable. Dans les amastigotes intracellulaires, seulement des petites quantités de polyP et de Vtc4p sont détectées. En outre, l'absence de Vc4p et de polyP n'a pas d'effet significatif sur les infections in vivo de souris, ce qui indique que le polyP n'est pas nécessaire au développement de la leishmaniose. Ceci suggère que Vtc4p n 'est pas une bonne cible pour le développement de nouveaux traitements contre Leishmania. "Néanmoins, la présence du polyP favorise fortement la survie du parasite suite à un choc de température (37°C) et aide ainsi à sa persistance intracellulaire pendant les premiers jours d'infection de macrophages. En résumé, nos résultats indiquent que si le polyP a peu d'importance pendant l'infection et le développement de la leishmaniose chez la souris, il est par contre crucial pour l'adaptation à des situations de stress comme l'augmentation de la température. Le fait que le polyP a été conservé dans tous les organismes durant l'évolution suggère toutefois que cette molécule joue un rôle fondamental. Etant donné que l'absence de polyP n'a pas d'effet sur la survie des amastigotes, il pourrait être plus important dans la forme promastigote infectant la mouche des sables. - The unicellular protozoan parasite Leishmania is the causative agent of the human disease leishmaniasis, which can range from self-healing skin lesions to fatal visceral lesions. The parasite is transmitted from the insect vector to the mammalian host when the sand fly takes its blood meal and exists in an extra- and an intracellular form, respectively. The disease is estimated to affect 12 million people in 98 countries and currently available drug treatments are of relatively low potency and/or high toxicity. Thus, investigating parasite survival mechanisms and parasite adaptation to the two host environments contributes to the general understanding of Leishmania propagation and might therefore help to develop future treatments or preventions. All living cells, including Leishmania, contain a negatively charged polymer of a few up to several hundred phosphate residues. These so-called polyphosphates (polyPs) serve as an energy source and phosphate reservoir. In some organisms, polyP is also involved in adaptation to stresses and virulence of pathogens. Therefore we were interested in investigating the importance of polyP in Leishmania parasites. Recently, an eukaryotic enzyme responsible for polyP synthesis has been identified as the vacuolar transporter chaperone 4 (Vtc4) in yeast. We, and others, found a Vtc4 homologue in trypanosomatids and decided to examine its potential function in polyP metabolism. By generating VTC4 knock-out cell lines in L. major and Vtc4 knock-down cell lines in L. guyanensis, we were able to demonstrate that Vtc4p is responsible for the total amount of cellular polyP. We also observed that Leishmania polyP chain length ranges from a few up to around 300 residues and that its level is tightly regulated. PolyP abundance is highest during the logarithmic proliferating phase of promastigotes and decreases in the stationary phase, while Vtc4 protein expression remains stable during both phases. In the intracellular amastigote form, only low amounts of polyP and Vtc4p were detectable. Furthermore, absence of Vtc4p and polyP did not have a significant effect on in vivo mouse infections, indicating that polyP is not necessary for Leishmania disease progression. This suggests that Vtc4p would be a poor drug target against Leishmania infection. However, presence of the polymer strongly supported parasite survival during heat shock (37°C) and thereby promoted intracellular persistence during the first days of macrophage infections. Taken together, we found that polyP has little importance in Leishmania {in vivo) infection but that it plays a crucial role during adaptation to stress, such as heat shock. Given that polyP has been preciously conserved in all organisms during evolution it seems to play a fundamental role. Since absence of polyP does not affect amastigote survival, it might be significant for promastigote existence in the sand fly vector.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Enzymes of yeast polyphosphate metabolism: structure, enzymology and biological roles.

Inorganic polyphosphate (polyP) is found in all living organisms. The known polyP functions in eukaryotes range from osmoregulation and virulence in parasitic protozoa to modulating blood coagulation, inflammation, bone mineralization and cellular signalling in mammals. However mechanisms of regulation and even the identity of involved proteins in many cases remain obscure. Most of the insights obtained so far stem from studies in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Here, we provide a short overview of the properties and functions of known yeast polyP metabolism enzymes and discuss future directions for polyP research.

La résistance bactérienne aux antibiotiques.

50 years ago, the introduction of penicillin, followed by many other antibacterial agents, represented an often underestimated medical revolution. Indeed, until that time, bacterial infections were the prime cause of mortality, especially in children and elderly patients. The discovery of numerous new substances and their development on an industrial scale gave us the illusion that bacterial infections were all but vanquished. However, the widespread and sometimes uncontrolled use of these agents has led to the selection of bacteria resistant to practically all available antibiotics. Bacteria utilize three main resistance strategies: (1) modification of their permeability, (2) modification of target, and (3) modification of the antibiotic. Bacteria modify their permeability either by becoming impermeable to antibiotics, or by actively excreting the drug accumulated in the cell. As an alternative, they can modify the structure of the antibiotic's molecular target--usually an essential metabolic enzyme of the bacterium--and thus escape the drug's toxic effect. Lastly, they can produce enzymes capable of modifying and directly inactivating antibiotics. In addition, bacteria have evolved extremely efficient genetic transfer systems capable of exchanging and accumulating resistance genes. Some pathogens, such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus and multiresistant Mycobacterium tuberculosis, have become resistant to almost all available antibiotics and there are only one or two substances still active against such organisms. Antibiotics are very precious drugs which must be administered to patients who need them. On the other hand, the development of resistance must be kept under control by a better comprehension of its mechanisms and modes of transmission and by abiding by the fundamental rules of anti-infectious chemotherapy, i.e.: (1) choose the most efficient antibiotic according to clinical and local epidemiological data, (2) target the bacteria according to the microbiological data at hand, and (3) administer the antibiotic in an adequate dose which will leave the pathogen no chance to develop resistance.

Host factors and genetic susceptibility to infections due to intracellular bacteria and fastidious organisms.

While genetic polymorphisms play a paramount role in tuberculosis (TB), less is known about their contribution to the severity of diseases caused by other intracellular bacteria and fastidious microorganisms. We searched electronic databases for observational studies reporting on host factors and genetic predisposition to infections caused by intracellular fastidious bacteria published up to 30 May 2014. The contribution of genetic polymorphisms was documented for TB. This includes genetic defects in the mononuclear phagocyte/T helper cell type 1 (Th1) pathway contributing to disseminated TB disease in children and genome-wide linkage analysis (GWAS) in reactivated pulmonary TB in adults. Similarly, experimental studies supported the role of host genetic factors in the clinical presentation of illnesses resulting from other fastidious intracellular bacteria. These include IL-6 -174G/C or low mannose-binding (MBL) polymorphisms, which are incriminated in chronic pulmonary conditions triggered by C. pneumoniae, type 2-like cytokine secretion polymorphisms, which are correlated with various clinical patterns of M. pneumoniae infections, and genetic variation in the NOD2 gene, which is an indicator of tubal pathology resulting from Chamydia trachomatis infections. Monocyte/macrophage migration and T lymphocyte recruitment defects are corroborated to ineffective granuloma formation observed among patients with chronic Q fever. Similar genetic polymorphisms have also been suggested for infections caused by T. whipplei although not confirmed yet. In conclusion, this review supports the paramount role of genetic factors in clinical presentations and severity of infections caused by intracellular fastidious bacteria. Genetic predisposition should be further explored through such as exome sequencing.

NEW METHODS FOR DETECTION, SUSCEPTIBILITY TESTING AND BIOFILM ERADICATION OF DIFFICULT ORGANISMS

Aujourd'hui, les problèmes des maladies infectieuses concernent l'émergence d'infections difficiles à traiter, telles que les infections associées aux implants et les infections fongiques invasives chez les patients immunodéprimés. L'objectif de cette thèse était de développer des stratégies pour l'éradication des biofilms bactériens (partie 1), ainsi que d'étudier des méthodes innovantes pour la détection microbienne, pour l'établissement de nouveaux tests de sensibilité (partie 2). Le traitement des infections associées aux implants est difficile car les biofilms bactériens peuvent résister à des niveaux élevés d'antibiotiques. A ce jour, il n'y a pas de traitement optimal défini contre des infections causées par des bactéries de prévalence moindre telles que Enterococcus faecalis ou Propionibacterium acnés. Dans un premier temps, nous avons démontré une excellente activité in vitro de la gentamicine sur une souche de E. faecalis en phase stationnaire de croissance Nous avons ensuite confirmé l'activité de la gentamicine sur un biofilm précoce en modèle expérimental animal à corps étranger avec un taux de guérison de 50%. De plus, les courbes de bactéricidie ainsi que les résultats de calorimétrie ont prouvé que l'ajout de gentamicine améliorait l'activité in vitro de la daptomycine, ainsi que celle de la vancomycine. In vivo, le schéma thérapeutique le plus efficace était l'association daptomycine/gentamicine avec un taux de guérison de 55%. En établissant une nouvelle méthode pour l'évaluation de l'activité des antimicrobiens vis-à-vis de micro-organismes en biofilm, nous avons démontré que le meilleur antibiotique actif sur les biofilms à P. acnés était la rifampicine, suivi par la penicilline G, la daptomycine et la ceftriaxone. Les études conduites en modèle expérimental animal ont confirmé l'activité de la rifampicine seule avec un taux de guérison 36%. Le meilleur schéma thérapeutique était au final l'association rifampicine/daptomycine avec un taux de guérison 63%. Les associations de rifampicine avec la vancomycine ou la levofloxacine présentaient des taux de guérisons respectivement de 46% et 25%. Nous avons ensuite étudié l'émergence in vitro de la résistance à la rifampicine chez P. acnés. Nous avons observé un taux de mutations de 10"9. La caractérisation moléculaire de la résistance chez les mutant-résistants a mis en évidence l'implication de 5 mutations ponctuelles dans les domaines I et II du gène rpoB. Ce type de mutations a déjà été décrit au préalable chez d'autres espèces bactériennes, corroborant ainsi la validité de nos résultats. La deuxième partie de cette thèse décrit une nouvelle méthode d'évaluation de l'efficacité des antifongiques basée sur des mesures de microcalorimétrie isotherme. En utilisant un microcalorimètre, la chaleur produite par la croissance microbienne peut être-mesurée en temps réel, très précisément. Nous avons évalué l'activité de l'amphotéricine B, des triazolés et des échinocandines sur différentes souches de Aspergillus spp. par microcalorimétrie. La présence d'amphotéricine Β ou de triazole retardait la production de chaleur de manière concentration-dépendante. En revanche, pour les échinochandines, seule une diminution le pic de « flux de chaleur » a été observé. La concordance entre la concentration minimale inhibitrice de chaleur (CMIC) et la CMI ou CEM (définie par CLSI M38A), avec une marge de 2 dilutions, était de 90% pour l'amphotéricine B, 100% pour le voriconazole, 90% pour le pozoconazole et 70% pour la caspofongine. La méthode a été utilisée pour définir la sensibilité aux antifongiques pour d'autres types de champignons filamenteux. Par détermination microcalorimétrique, l'amphotéricine B s'est avéré être l'agent le plus actif contre les Mucorales et les Fusarium spp.. et le voriconazole le plus actif contre les Scedosporium spp. Finalement, nous avons évalué l'activité d'associations d'antifongiques vis-à-vis de Aspergillus spp. Une meilleure activité antifongique était retrouvée avec l'amphotéricine B ou le voriconazole lorsque ces derniers étaient associés aux échinocandines vis-à-vis de A. fumigatus. L'association échinocandine/amphotéricine B a démontré une activité antifongique synergique vis-à-vis de A. terreus, contrairement à l'association échinocandine/voriconazole qui ne démontrait aucune amélioration significative de l'activité antifongique. - The diagnosis and treatment of infectious diseases are today increasingly challenged by the emergence of difficult-to-manage situations, such as infections associated with medical devices and invasive fungal infections, especially in immunocompromised patients. The aim of this thesis was to address these challenges by developing new strategies for eradication of biofilms of difficult-to-treat microorganisms (treatment, part 1) and investigating innovative methods for microbial detection and antimicrobial susceptibility testing (diagnosis, part 2). The first part of the thesis investigates antimicrobial treatment strategies for infections caused by two less investigated microorganisms, Enterococcus faecalis and Propionibacterium acnes, which are important pathogens causing implant-associated infections. The treatment of implant-associated infections is difficult in general due to reduced susceptibility of bacteria when present in biofilms. We demonstrated an excellent in vitro activity of gentamicin against E. faecalis in stationary growth- phase and were able to confirm the activity against "young" biofilms (3 hours) in an experimental foreign-body infection model (cure rate 50%). The addition of gentamicin improved the activity of daptomycin and vancomycin in vitro, as determined by time-kill curves and microcalorimetry. In vivo, the most efficient combination regimen was daptomycin plus gentamicin (cure rate 55%). Despite a short duration of infection, the cure rates were low, highlighting that enterococcal biofilms remain difficult to treat despite administration of newer antibiotics, such as daptomycin. By establishing a novel in vitro assay for evaluation of anti-biofilm activity (microcalorimetry), we demonstrated that rifampin was the most active antimicrobial against P. acnes biofilms, followed by penicillin G, daptomycin and ceftriaxone. In animal studies we confirmed the anti-biofilm activity of rifampin (cure rate 36% when administered alone), as well as in combination with daptomycin (cure rate 63%), whereas in combination with vancomycin or levofloxacin it showed lower cure rates (46% and 25%, respectively). We further investigated the emergence of rifampin resistance in P. acnes in vitro. Rifampin resistance progressively emerged during exposure to rifampin, if the bacterial concentration was high (108 cfu/ml) with a mutation rate of 10"9. In resistant isolates, five point mutations of the rpoB gene were found in cluster I and II, as previously described for staphylococci and other bacterial species. The second part of the thesis describes a novel real-time method for evaluation of antifungals against molds, based on measurements of the growth-related heat production by isothermal microcalorimetry. Current methods for evaluation of antifungal agents against molds, have several limitations, especially when combinations of antifungals are investigated. We evaluated the activity of amphotericin B, triazoles (voriconazole, posaconazole) and echinocandins (caspofungin and anidulafungin) against Aspergillus spp. by microcalorimetry. The presence of amphotericin Β or a triazole delayed the heat production in a concentration-dependent manner and the minimal heat inhibition concentration (MHIC) was determined as the lowest concentration inhibiting 50% of the heat produced at 48 h. Due to the different mechanism of action echinocandins, the MHIC for this antifungal class was determined as the lowest concentration lowering the heat-flow peak with 50%. Agreement within two 2-fold dilutions between MHIC and MIC or MEC (determined by CLSI M38A) was 90% for amphotericin B, 100% for voriconazole, 90% for posaconazole and 70% for caspofungin. We further evaluated our assay for antifungal susceptibility testing of non-Aspergillus molds. As determined by microcalorimetry, amphotericin Β was the most active agent against Mucorales and Fusarium spp., whereas voriconazole was the most active agent against Scedosporium spp. Finally, we evaluated the activity of antifungal combinations against Aspergillus spp. Against A. jumigatus, an improved activity of amphotericin Β and voriconazole was observed when combined with an echinocandin. Against A. terreus, an echinocandin showed a synergistic activity with amphotericin B, whereas in combination with voriconazole, no considerable improved activity was observed.

The evolution of inbred social systems in spiders and other organisms: from short-term gains to long-term evolutionary dead-ends?

The question of why some social systems have evolved close inbreeding is particularly intriguing given expected short- and long-term negative effects of this breeding system. Using social spiders as a case study, we quantitatively show that the potential costs of avoiding inbreeding through dispersal and solitary living could have outweighed the costs of inbreeding depression in the origin of inbred spider sociality. We further review the evidence that despite being favored in the short term, inbred spider sociality may constitute in the long run an evolutionary dead end. We also review other cases, such as the naked mole rats and some bark and ambrosia beetles, mites, psocids, thrips, parasitic ants, and termites, in which inbreeding and sociality are associated and the evidence for and against this breeding system being, in general, an evolutionary dead end.

THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Catalytic core of a membrane-associated eukaryotic polyphosphate polymerase.

Polyphosphate (polyP) occurs ubiquitously in cells, but its functions are poorly understood and its synthesis has only been characterized in bacteria. Using x-ray crystallography, we identified a eukaryotic polyphosphate polymerase within the membrane-integral vacuolar transporter chaperone (VTC) complex. A 2.6 angstrom crystal structure of the catalytic domain grown in the presence of adenosine triphosphate (ATP) reveals polyP winding through a tunnel-shaped pocket. Nucleotide- and phosphate-bound structures suggest that the enzyme functions by metal-assisted cleavage of the ATP gamma-phosphate, which is then in-line transferred to an acceptor phosphate to form polyP chains. Mutational analysis of the transmembrane domain indicates that VTC may integrate cytoplasmic polymer synthesis with polyP membrane translocation. Identification of the polyP-synthesizing enzyme opens the way to determine the functions of polyP in lower eukaryotes.

Serological cross-reactivity between different Chlamydia-like organisms.

The serological cross-reactivity between different recently described Chlamydia-related organisms was determined. Mouse sera exhibited a strong reactivity against autologous antigen and closely related heterologous antigen but no cross-reactivity with distantly related species. These results are important to better interpret serological studies and assess the pathogenic role of these obligate intracellular bacteria.

Biology and pathogenicity of "Chlamydia"- related organisms

Abstract : This thesis investigates the pathogenicity and biology of Parachlamydia acanthamoebae and other obligate intracellular bacteria related to chlamydiae. All these Chlamydia-like organisms replicate in amoebae. Some evolved to resist to macrophages and represent possible new agents of respiratory tract infection. Using serological and molecular approaches, we showed that Parachlamydia acanthameobae likely plays a role as an etiological agent of pneumonia [1,2]. We also showed that Parachlamydia was able to enter and survive within pneumocytes and lung fibroblasts [3]. Moreover, we developed an animal model of lung infection in mice, which fulfilled the third and fourth Koch postulate [4]. Given the likely role of Parachlamydia in pneumonia, we studied its antibiotic susceptibility. We showed that Chlamydia-related organisms were resistant to quinolones, mainly due to mutations in the QRDR of gyrA [5]. To have tools to investigate the role of other Chlamydia-related bacteria in pneumonia, we developed immunofluorescence assays and assessed the rate of serological cross-reactivity between all these Chlamydia-related bacteria [6]. We also developed new diagnostic specific PCRs [2,7] and sequenced additional genes that are useful for both taxonomic and diagnostic purposes [8]. Then, we applied these serological and molecular approaches to patients with and without respiratory tract infections. This led to the identification of a possible role of Protochlamydia naegleriophila [7] and of Waddlia chondrophila in pneumonia [1]. A significant part of the thesis also investigated interactions of Parachlamydia with macrophages [9] and the host range of Chlamydia-related bacteria [10]. In conclusion, there are growing body of evidence supporting the role of Chlamydia-like organisms as agents of pneumonia. Further studies are needed to precise their pathogenic role in this setting. The diagnostic tools developed during this thesis will be useful to investigate the role of these strict intracellular bacteria in other diseases in both humans and animals [11,12]. Résumé : Le but de cette thèse est de déterminer le rôle pathogène de Parachlamydia et des bactéries apparentées aux Chlamydia ainsi que d'étudier leur biologie. Parachlamydia acanthamoebae est une bactérie intracellulaire apparentée aux Chlamydia, et qui est résistante non seulement aux amibes mais aussi aux macrophages. Par une approche sérologique et moléculaire, nous avons montré que les bactéries apparentées aux Chlamydia jouent probablement un rôle comme agent de pneumonie [1,2]. De plus, nous avons démontré que P. acanthameobae est capable d'entrer et de survivre dans les pneumocytes et fibroblastes pulmonaires [3]. Nous avons ensuite développé un modèle animal remplissant les troisième et quatrième postulats de Koch [4]. Nous avons aussi démontré que les bactéries apparentées aux Chlamydia sont résistantes aux quinolones, en raison de mutations dans la région QRDR de gyrA [5]. Afin de mieux déterminer le rôle pathogène de ces bactéries, nous avons mis au point des techniques d' immunofluorescence et déterminé la cross-réaction sérologique entre les différentes bactéries apparentées aux Chlamydia [6]. Différentes PCR diagnostiques ont aussi été développées [2,7] et des gènes supplémentaires ont été séquencés, qui seront utiles à la taxonomie ainsi qu'au développement de nouvelles méthodes diagnostiques [8]. Ces méthodes ont été appliquées à des échantillons provenant de patient avec ou sans pneumonie et ont permis l'identification du possible rôle pathogène de Protochlamydia naegleriophila [7] et de Waddlia chondrophila [1]. L'interaction de Parachlamydia avec les macrophages [9] et la permissivité de différentes cellules aux bactéries apparentées aux Chlamydia [10] ont également été étudiés dans le cadre de cette thèse. En conclusion, plusieurs nouveaux éléments viennent renforcer l'hypothèse que les bactéries apparentées aux Chlamydia sont des agents de pneumonies. Cependant, d'autres études doivent être menées pour confirmer leur rôle dans cette maladie. Les méthodes diagnostiques développées ici seront très utiles pour déterminer le rôle pathogène de ces bactéries chez les humains et animaux [11,12]

Delayed referral and gram-negative organisms increase the conversion thoracotomy rate in patients undergoing video-assisted thoracoscopic surgery for empyema

BACKGROUND: The role of video-assisted thoracoscopic surgery in the treatment of pleural empyema was assessed in a consecutive series of 328 patients between 1992 and 2002. An analysis of the predicting factors for conversion thoracotomy in presumed stage II empyema was performed. METHODS: Empyema stage III with pleural thickening and signs of restriction on computer tomography imaging was treated by open decortication, whereas a thoracoscopic debridement was attempted in presumed stage II disease. Conversion thoracotomy was liberally used during thoracoscopy if stage III disease was found at surgery. Predictive factors for conversion thoracotomy were calculated in a multivariate analysis among several variables such as age, sex, time interval between onset of symptoms and surgery, involved microorganisms, and underlying cause of empyema. RESULTS: Of the 328 patients surgically treated for stage II and III empyema, 150 underwent primary open decortication for presumed stage III disease. One hundred seventy-eight patients with presumed stage II empyema underwent a video-assisted thoracoscopic approach. Of these 178 patients, thoracoscopic debridement was successful in 99 of 178 patients (56%), and conversion thoracotomy and open decortication was judged necessary in 79 of 178 patients (44%). The conversion thoracotomy rate was higher in parapneumonic empyema (55%) as compared with posttraumatic (32%) or postoperative (29%) empyema; however, delayed referral (p < 0.0001) and gram-negative microorganisms (p < 0.01) were the only significant predictors for conversion thoracotomy in a multivariate analysis. CONCLUSIONS: Video-assisted thoracoscopic debridement offers an elegant, minimally invasive approach in a number of patients with presumed stage II empyema. However, to achieve a high success rate with the video-assisted thoracoscopic approach, early referral of the patients to surgery is required. Conversion thoracotomy should be liberally used in case of chronicity, especially after delayed referral (> 2 weeks) and in the presence of gram-negative organisms.

Chlamydiaceae and Chlamydia-like organisms in free-living small mammals in Europe and Afghanistan.

Few data are available on the occurrence of chlamydial infections in wild small mammals. We investigated the significance of free-living small mammals as reservoirs or transmission hosts for microorganisms of the phylum/class Chlamydiae. We obtained 3,664 tissue samples from 911 animals in Switzerland, Germany, Austria, the Czech Republic, and Afghanistan. Samples included internal organs (n = 3,652) and feces (n = 12) from 679 rodents (order Rodentia) and 232 insectivores (order Soricomorpha) and were tested by three TaqMan® real-time PCRs specific for members of the family Chlamydiaceae and selected Chlamydia-like organisms such as Parachlamydia spp. and Waddlia spp. Only one of 911 (0.11%) animals exhibited a questionable positive result by Chlamydiaceae-specific real-time PCR. Five of 911 animals were positive by specific real-time PCR for Parachlamydia spp. but could not be confirmed by quantitative PCR targeting the Parachlamydia acanthamoebae secY gene (secY qPCR). One of 746 animals (0.13%) was positive by real-time PCR for Waddlia chondrophila. This result was confirmed by Waddlia secY qPCR. This is the first detection of Chlamydia-like organisms in small wildlife in Switzerland. Considering previous negative results for Chlamydiaceae in wild ruminant species from Switzerland, these data suggest that wild small mammals are unlikely to be important carriers or transport hosts for Chamydiaceae and Chlamydia-like organisms.

Sudden weather deterioration but not brood size affects baseline corticosterone levels in nestling Alpine swifts.

While evidence is accumulating that stress-induced glucocorticoid responses help organisms to quickly adjust their physiology and behaviour to life-threatening environmental perturbations, the function and the ecological factors inducing variation in baseline glucocorticoid levels remain poorly understood. In this study we investigated the effects of brood size by experimentally manipulating the number of nestlings per brood and the effect of weather condition on baseline corticosterone levels of nestling Alpine swifts (Apus melba). We also examined the potential negative consequences of an elevation of baseline corticosterone on nestling immunity by correlating corticosterone levels with ectoparasite intensity and the antibody production towards a vaccine. Although nestlings reared in enlarged broods were in poorer condition than nestlings reared in reduced broods, they showed similar baseline corticosterone levels. In contrast, nestling baseline corticosterone levels were higher immediately after cold and rainy episodes with strong winds. Neither nestling infestation rate by ectoparastic flies nor nestling antibody production against a vaccine was correlated with baseline corticosterone levels. Thus, our results suggest that altricial Alpine swift nestlings can quickly modulate baseline corticosterone levels in response to unpredictable variations in meteorological perturbation but not to brood size which may be associated with the degree of sibling competition. Apparently, short-term elevations of baseline corticosterone have no negative effects on nestling immunocompetence.