Endosymbiotic bacteria associated with nematodes, ticks and amoebae.

Endosymbiosis is a mutualistic, parasitic or commensal symbiosis in which one symbiont is living within the body of another organism. Such symbiotic relationship with free-living amoebae and arthropods has been reported with a large biodiversity of microorganisms, encompassing various bacterial clades and to a lesser extent some fungi and viruses. By contrast, current knowledge on symbionts of nematodes is still mainly restricted to Wolbachia and its interaction with filarial worms that lead to increased pathogenicity of the infected nematode. In this review article, we aim to highlight the main characteristics of symbionts in term of their ecology, host cell interactions, parasitism and co-evolution, in order to stimulate future research in a field that remains largely unexplored despite the availability of modern tools.

Vacuole membrane protein 1 is an endoplasmic reticulum protein required for organelle biogenesis, protein secretion, and development

Vacuole membrane protein 1 (Vmp1) is membrane protein of unknown molecular function that has been associated with pancreatitis and cancer. The social amoeba Dictyostelium discoideum has a vmp1-related gene that we identified previously in a functional genomic study. Loss-of-function of this gene leads to a severe phenotype that compromises Dictyostelium growth and development. The expression of mammalian Vmp1 in a vmp1 Dictyostelium mutant complemented the phenotype, suggesting a functional conservation of the protein among evolutionarily distant species and highlights Dictyostelium as a valid experimental system to address the function of this gene. Dictyostelium Vmp1 is an endoplasmic reticulum protein necessary for the integrity of this organelle. Cells deficient in Vmp1 display pleiotropic defects in the secretory pathway and organelle biogenesis. The contractile vacuole, which is necessary to survive under hypoosmotic conditions, is not functional in the mutant. The structure of the Golgi apparatus, the function of the endocytic pathway and conventional protein secretion are also affected in these cells. Transmission electron microscopy of vmp1 cells showed the accumulation of autophagic features that suggests a role of Vmp1 in macroautophagy. In addition to these defects observed at the vegetative stage, the onset of multicellular development and early developmental gene expression are also compromised.

Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

Estrella lausannensis, a new star in the Chlamydiales order.

Originally, the Chlamydiales order was represented by a single family, the Chlamydiaceae, composed of several pathogens, such as Chlamydia trachomatis, Chlamydia pneumoniae, Chlamydia psittaci and Chlamydia abortus. Recently, 6 new families of Chlamydia-related bacteria have been added to the Chlamydiales order. Most of these obligate intracellular bacteria are able to replicate in free-living amoebae. Amoebal co-culture may be used to selectively isolate amoeba-resisting bacteria. This method allowed in a previous work to discover strain CRIB 30, from an environmental water sample. Based on its 16S rRNA gene sequence similarity with Criblamydia sequanensis, strain CRIB 30 was considered as a new member of the Criblamydiaceae family. In the present work, phylogenetic analyses of the genes gyrA, gyrB, rpoA, rpoB, secY, topA and 23S rRNA as well as MALDI-TOF MS confirmed the taxonomic classification of strain CRIB 30. Morphological examination revealed peculiar star-shaped elementary bodies (EBs) similar to those of C. sequanensis. Therefore, this new strain was called "Estrella lausannensis". Finally, E. lausannensis showed a large amoebal host range and a very efficient replication rate in Acanthamoeba species. Furthermore, E. lausannensis is the first member of the Chlamydiales order to grow successfully in the genetically tractable Dictyostelium discoideum, which opens new perspectives in the study of chlamydial biology.

Criblamydia sequanensis Harbors a Megaplasmid Encoding Arsenite Resistance.

Criblamydia sequanensis is an amoeba-resisting bacterium recently isolated from the Seine River. This Chlamydia-related bacterium harbors a genome of approximately 3 Mbp and a megaplasmid of 89,525 bp. The plasmid encodes several efflux systems and an operon for arsenite resistance. This first genome sequence within the Criblamydiaceae family enlarges our view on the evolution and the ecology of this important bacterial clade largely understudied so far.

Predator or prey? Chlamydophila abortus infections of a free-living amoebae, Acanthamoeba castellani 9GU.

Limited evidence exists to suggest that the ability to invade and escape protozoan host cell bactericidal activity extends to members of the Chlamydiaceae, intracellular pathogens of humans and animals and evolutionary descendants of amoeba-resisting Chlamydia-like organisms. PCR and microscopic analyses of Chlamydophila abortus infections of Acanthamoeba castellani revealed uptake of this chlamydial pathogen but, unlike the well-described inhabitant of A. castellani, Parachlamydia acanthamoebae, Cp. abortus did not appear to propagate and is likely digested by its amoebal host. These data raise doubts about the ability of free-living amoebae to serve as hosts and vectors of pathogenic members of the Chlamydiaceae but reveal opportunities, via comparative genomics, to understand virulence mechanisms used by Chlamydia-like organisms to avoid amoebal digestion.

Testate amoebae (thecamoebians) as indicators of aquatic mine impact

The environmental impacts of a single mine often remain local, but acidic and metal-rich acid mine drainage (AMD) from the waste materials may pose a serious threat to adjacent surface waters and their ecosystems. Testate amoebae (thecamoebian) analysis was used together with lake sediment geochemistry to study and evaluate the ecological effects of sulphidic metal mines on aquatic environments. Three different mines were included in the study: Luikonlahti Cu-mine in Kaavi, eastern Finland, Haveri Cu-Au mine in Ylöjärvi, southern Finland and Pyhäsalmi Zn-Cu-S mine in Pyhäjärvi, central Finland. Luikonlahti and Haveri are closed mines, but Pyhäsalmi is still operating. The sampling strategy was case specific, and planned to provide a representative sediment sample series to define natural background conditions, to detect spatial and temporal variations in mine impacts, to evaluate the possible recovery after the peak contamination, and to distinguish the effects of other environmental factors from the mining impacts. In the Haveri case, diatom analyses were performed alongside thecamoebian analysis to evaluate the similarities and differences between the two proxies. The results of the analyses were investigated with multivariate methods (direct and indirect ordinations, diversity and distance measure indices). Finally, the results of each case study were harmonized, pooled, and jointly analyzed to summarize the results for this dissertation. Geochemical results showed broadly similar temporal patterns in each case. Concentrations of ions in the pre-disturbance samples defined the natural baseline against which other results were compared. The beginning of the mining activities had only minor impacts on sediment geochemistry, mainly appearing as an increased clastic input into the lakes at Haveri and Pyhäsalmi. The active mining phase was followed by the metallic contamination and, subsequently, by the most recent change towards decreased but still elevated metal concentrations in the sediments. Because of the delay in the oxidation of waste material and formation of AMD, the most intense, but transient metal contamination phase occurred in the post-mining period at Luikonlahti and Haveri. At Pyhäsalmi, the highest metal contamination preceded effluent mitigation actions. Spatial gradients were observed besides the temporal evolution in both the pre-disturbance and mine-impacted samples from Luikonlahti and Pyhäsalmi. The geochemical gradients varied with distance from the main source of contaminants (dispersion and dilution) and with water depth (redox and pH). The spatial extent of the highest metal contamination associated with these mines remained rather limited. At Haveri, the metallic impact was widespread, with the upstream site in another lake basin found to be contaminated. Changes in thecamoebian assemblages corresponded well with the geochemical results. Despite some differences, the general features and ecological responses of the faunal assemblages were rather similar in each lake. Constantly abundant strains of Difflugia oblonga, Difflugia protaeiformis and centropyxids formed the core of these assemblages. Increasing proportions of Cucurbitella tricuspis towards the surface samples were found in all of the cases. The results affirmed the indicator value of some already known indicator forms, but such as C. tricuspis and higher nutrient levels, but also elicited possible new ones such as D. oblonga ‘spinosa’ and clayey substrate, high conductivity and/or alkalinity, D. protaeiformis ‘multicornis’ and pH, water hardness and the amount of clastic material and Centropyxis constricta ‘aerophila’ and high metal and S concentrations. In each case, eutrophication appeared to be the most important environmental factor, masking the effects of other variables. Faunal responses to high metal inputs in sediments remained minor, but were nevertheless detectable. Besides the trophic state of the lake, numerical methods suggested overall geochemical conditions (pH, redox) to be the most important factor at Luikonlahti, whereas the Haveri results showed the clearest connection between metals and amoebae. At Pyhäsalmi, the strongest relationships were found between Ca- and S-rich present loading, redox conditions and substrate composition. Sediment geochemistry and testate amoeba analysis proved to be a suitable combination of methods to detect and describe the aquatic mine impacts in each specific case, to evaluate recovery and to differentiate between the effects of different anthropogenic and natural environmental factors. It was also suggested that aquatic mine impacts can be significantly mitigated by careful design and after-care of the waste facilities, especially by reducing and preventing AMD. The case-specific approach is nevertheless necessary because of the unique characteristics of each mine and variations in the environmental background conditions.

Investigating the potential of thecamoebians (testate amoebae) as bio-indicators of impact of oil sands mining operations on freshwater environments in Northeastern Alberta, Canada

Thecamoebian (testate amoeba) species diversity and assemblages in reclamation wetlands and lakes in northeastern Alberta respond to chemical and physical parameters associated with oil sands extraction. Ecosystems more impacted by OSPM (oil sands process-affected material) contain sparse, low-diversity populations dominated by centropyxid taxa and Arcella vulgaris. More abundant and diverse thecamoebian populations rich in difflugiid species characterize environments with lower OSPM concentrations. These shelled protists respond quickly to environmental change, allowing year-to-year variations in OSPM impact to be recorded. Their fossil record thus provides corporations with interests in the Athabasca Oil Sands with a potential means of measuring the progression of highlyimpacted aquatic environments to more natural wetlands. Development of this metric required investigation of controls on their fossil assemblage (e.g. seasonal variability, fossilization potential) and their biogeographic distribution, not only in the constructed lakes and wetlands on the oil sands leases, but also in natural environments across Alberta.

Amibes à potentiel pathogène dans les unités dentaires

Il a été bien documenté que les différentes canalisations des unités de soins dentaires contiennent un épais biofilm. Ce biofilm est constitué entre autres de bactéries, mais aussi d’amibes. Certaines amibes ont un potentiel pathogène et peuvent causer des infections graves. Deux cas d’infections amibiennes et possiblement reliées aux unités dentaires ont retenu notre attention et sont à l’origine du présent projet. L’identification morphologique des amibes afin de déterminer si elles présentent un potentiel pathogène ou non est une tâche ardue, même pour les protozoologistes chevronnés. Nous avons donc utilisé la réaction de polymérase en chaîne (PCR) pour identifier les amibes. Des nouvelles amorces ont été élaborées pour détecter les amibes des genres Acanthamoeba ainsi que Naegleria. Des échantillons d’eau et de terre ont été prélevés dans l’environnement, et des échantillons d’eau et de biofilm ont été prélevés dans les unités dentaires. Une partie de chaque échantillon a été mise en culture selon une méthode améliorée pour une identification morphologique, et l’autre partie a été soumise à un PCR direct. Des Acanthamoebae et/ou des Naegleriae ont été détectées dans 100% des échantillons, mais les espèces varient d’un échantillon à l’autre. Des amibes à potentiel pathogènes sont détectables dans les unités dentaires ainsi que dans l’environnement, et celles-ci pourraient représenter un risque pour la santé de certains individus.

L'évolution du phagosome

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique.

Interaction d'Escherichia coli entérohémorragique (EHEC) avec Acanthamoeba castellanii et rôle du régulon Pho chez les EHEC

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine).

Développement de méthodes d'assemblage de génomes de novo adaptées aux bactéries endosymbiotes

Le but de ce projet était de développer des méthodes d'assemblage de novo dans le but d'assembler de petits génomes, principalement bactériens, à partir de données de séquençage de nouvelle-génération. Éventuellement, ces méthodes pourraient être appliquées à l'assemblage du génome de StachEndo, une Alpha-Protéobactérie inconnue endosymbiote de l'amibe Stachyamoeba lipophora. Suite à plusieurs analyses préliminaires, il fut observé que l’utilisation de lectures Illumina avec des assembleurs par graphe DeBruijn produisait les meilleurs résultats. Ces expériences ont également montré que les contigs produits à partir de différentes tailles de k-mères étaient complémentaires pour la finition des génomes. L’ajout de longues paires de lectures chevauchantes se montra essentiel pour la finition complète des grandes répétitions génomiques. Ces méthodes permirent d'assembler le génome de StachEndo (1,7 Mb). L'annotation de ce génome permis de montrer que StachEndo possède plusieurs caractéristiques inhabituelles chez les endosymbiotes. StachEndo constitue une espèce d'intérêt pour l'étude du développement endosymbiotique.

Molecular studies on a Dictyostelium homolog of the tafazzin gene, the cause of Barth syndrome in humans

Der eukaryotische Mikroorganismus Dictyostelium discoideum lebt als einzellige Amöbe solange ausreichende Nahrungsressourcen zur Verfügung stehen. Sobald Nahrungsmangel eintritt, entwickeln sich die Zellen von einem einzelligen zu einem mehrzelligen Zustand, der mit einem multizellulären Fruchtkörper abschließt. Dieser Prozess wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Signale organisiert, die eine differentielle Genexpression regulieren. Die Gene der Discoidin I Familie gehören zu den Ersten, die im Laufe des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs (engl. GDT) aktiviert werden. Sie eignen sich daher vorzüglich als Marker für den Beginn der Entwicklung. Mit Hilfe einer REMI-Mutagenese und Discoidin I als molekularem Marker sind verschiedene Komponenten des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs in unserer Arbeitsgruppe identifiziert worden (Zeng et al., 2000 A und B; Riemann und Nellen, persönliche Mitteilung). Mit demselben Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit eine REMI-Mutante identifiziert, die eine Fehl-Expression von Discoidin zeigte und einen axenischen Wachstumsdefekt bei 15 °C aufwies. Das Gen wurde als Homolog zum humanen Tafazzin-Gen identifiziert. Dieses Gen wurde zur Rekonstruktion des Phänotyps über homologe Rekombination erneut disruptiert, was wie erwartet zu dem zuerst beschriebenen Phänotyp führte. Folgerichtig ergab eine Überexpression des Gens in den Mutanten eine Komplementation des Phänotyps. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine mitochondriale Lokalisation des Dictyostelium discoideum Taffazzin Proteins. Dass ein mitochondriales Protein in Zusammenhang mit dem Wachstums-Differenzierungs-Übergang steht, ist ein unerwarteter Befund, der aber als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass Mitochondrien einen direkten Einfluss auf die entwicklungsspezifische Signaltransduktion ausüben. Die Taffazzin Disruptions-Mutante in Dictyostelium führte zu einem abnormalen Cardiolipin Metabolismus. Dieses Phospholipid ist ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und für die Funktion verschiedener Enzyme erforderlich. Unsere vorläufigen Analysen des Phospholipid-Gehalts zeigten Übereinstimmung mit Daten von Patienten mit Barth-Syndrom, einer humanen Erkrankung, bei der das Taffazzin-Gen Mutationen aufweist, und mit Hefe-Mutanten dieses Gens. Dies zeigt den Wert von Dictyostelium discoideum als einen weiteren Modelorganismus zur Untersuchung des Barth-Syndroms und zur Erprobung möglicher Therapieansätze.

Molekularbiologische Funktionsanalysen von Thioredoxinen aus Dictyostelium discoideum und Identifizierung neuer Interaktionspartner durch das Two-Hybrid-System

Thioredoxins are small, regulatory proteins with a mass of approximately 12 kDa and a characteristic conserved active center, which is represented in the pentapeptide trp-cys-gly-pro-cys. Up to now it is not possible to present a complete list of thioredoxin interaction partners because there is no predictable sequence in the target enzymes where thioredoxins can interact with. To get closer information about the functions and possible interaction partners of the three thioredoxins from the social soil amoeba Dictyostelium discoideum (DdTrx1 - 3) we have chosen two different strategies. In the first one the thioredoxin levels in the cell should changed by different mutants. But both the antisense technique as well as the creation of knock out mutants were not appropiate strategies in this case. Just an thioredoxin overexpressing mutant results in a developmental phenotype which allows some conclusions for possible functions of the thioredoxin in Dictyostelium discoideum. The second strategie was the two hybrid system where thioredoxin interactions partners can identified systematically. After a screening with a cDNA library from Dictyostelium 13 potential interaction partners could be detected, among them a ribonucleotid reductase, TRFA, two different cytochrome c oxidase subunits, filopodin, three ribosomal proteins, the elongationfactor 1a and the alcohol dehydrogenase from yeast. The verification of the interaction between thioredoxin and these two hybrid clones happened indirectly by a dobble mutant of thioredoxin 1, where the cysteines in the active center were replaced by redox-inactive serins. Further examinations of two choosen candidates resulted that the alcohol dehydrogenase from yeast is a thioredoxin-modululated enzym and that there is an interaction between the elongationfactor 1a and the thioredoxin 1 from Dictyostelium discoideum.

DNA methylation in Dictyostelium discoideum

DNA methyltransferases of type Dnmt2 are a highly conserved protein family with enigmatic function. The aim of this work was to characterize DnmA, the Dnmt2 methyltransferase in Dictyostelium discoideum, and further to investigate its implication in DNA methylation and transcriptional gene silencing. The genome of the social amoeba Dictyostelium encodes DnmA as the sole DNA methyltransferase. The enzyme bears all ten characteristic DNA methyltransferase motifs in its catalytic domain. The DnmA mRNA was found by RT-PCR to be expressed during vegetative growth and down regulated during development. Investigations using fluorescence microscopy showed that both DnmA-myc and DnmA-GFP fusions predominantly localised to the nucleus. The function of DnmA remained initially unclear, but later experiment revealed that the enzyme is an active DNA methyltransferase responsible for all DNA (cytosine) methylation in Dictyostelium. Neither in gel retardation assays, nor by the yeast two hybrid system, clues on the functionality of DnmA could be obtained. However, immunological detection of the methylation mark with an α - 5mC antibody gave initial evidence that the DNA of Dictyostelium was methylated. Furthermore, addition of 5-aza-cytidine as demethylating agent to the Dictyostelium medium and subsequent in vitro incubation of the DNA isolated from these cells with recombinant DnmA showed that the enzyme binds slightly better to this target DNA. In order to investigate further the function of the protein, a gene knock-out for dnmA was generated. The gene was successfully disrupted by homologous recombination, the knock-out strain, however, did not show any obvious phenotype under normal laboratory conditions. To identify specific target sequences for DNA methylation, a microarray analysis was carried out. Setting a threshold of at least 1.5 fold for differences in the strength of gene expression, several such genes in the knock-out strain were chosen for further investigation. Among the up-regulated genes were the ESTs representing the gag and the RT genes respectively of the retrotransposon skipper. In addition Northern blot analysis confirmed the up-regulation of skipper in the DnmA knock-out strain. Bisufite treatment and sequencing of specific DNA stretches from skipper revealed that DnmA is responsible for methylation of mostly asymmetric cytosines. Together with skipper, DIRS-1 retrotransposon was found later also to be methylated but was not present on the microarray. Furthermore, skipper transcription was also up-regulated in strains that had genes disrupted encoding components of the RNA interference pathway. In contrast, DIRS 1 expression was not affected by a loss of DnmA but was strongly increased in the strain that had the RNA directed RNA polymerase gene rrpC disrupted. Strains generated by propagating the usual wild type Ax2 and the DnmA knock-out cells over 16 rounds in development were analyzed for transposon activity. Northern blot analysis revealed activation for skipper expression, but not for DIRS-1. A large number of siRNAs were found to be correspondent to the DIRS-1 sequence, suggesting concerted regulation of DIRS-1 expression by RNAi and DNA methylation. In contrast, no siRNAs corresponding to the standard skipper element were found. The data show that DNA methylation plays a crucial role in epigenetic gene regulation in Dictyostelium and that different, partially overlapping mechanisms control transposon silencing for skipper and DIRS-1. To elucidate the mechanism of targeting the protein to particular genes in the Dictyostelium genome, some more genes which were up-regulated in the DnmA knock-out strain were analyzed by bisulfite sequencing. The chosen genes are involved in the multidrug response in other species, but their function in Dictyostelium is uncertain. Bisulfite data showed that two of these genes were methylated at asymmetrical C-residues in the wild type, but not in DnmA knock-out cells. This suggested that DNA methylation in Dictyostelium is involved not only in transposon regulation but also in transcriptional silencing of specific genes.