Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

Characterization of a plant-derived peptide displaying water clarifying and antimicrobial activities

SUMMARY Drinking water is currently a scarce world resource, the preparation of which requires complex treatments that include clarification of suspended particles and disinfection. Seed extracts of Moringa oleifera Lam., a tropical tree, have been proposed as an environment- friendly alternative, due to their traditional use for the clarification of drinking water. However, the precise nature of the active components was unknown. Here, we show that recombinant or synthetic forms of a cationic seed polypeptide mediate efficient sedimentation of suspended mineral particles and bacteria. Unexpectedly, the polypeptide was also found to possesses a bactericidal activity capable of disinfecting heavily contaminated water. Furthermore, the polypeptide has been shown to efficiently kill several pathogenic bacteria, including antibiotic-resistant isolates of Pseudomona, Streptococcus and Legionella species. Structural modeling of the peptide coupled to the functional analysis of synthetic peptide derivatives delineated distinct structural determinants for the flocculation and antibacterial activities. Our results suggest that a glutamine-rich portion of the polypeptide is involved in the sedimentation process; alternatively, the antibacterial activity depends on a amphiphilic loop. Assembly of multiple copies of this loop into a branched peptide derivative strongly enhances antibacterial activity without displaying hemolytic effect. In conclusion, this polypeptide displays the unprecedented feature of combining efficient water purification and disinfectant properties indicating different molecular mechanisms involved in each case. This work not only identified the features responsible for these activities but also provides useful information that has implications for the further development of this cationic polypeptide as a potent antibacterial agent. RESUME L'eau potable est actuellement une ressource limitée dans le monde. La production d'eau propre à la consommation exige des traitements complexes, incluant la clarification des particules en suspension ainsi que sa désinfection par des additifs chimiques. Les extraits de la graine d'un arbre tropical, Moringa oleifera, sont utilisés traditionnellement en Afrique afin de clarifier l'eau. Quoique la nature exacte des composants actifs était inconnue, on a pu mettre en évidence un polypeptide cationique contenu dans ces graines, capable de sédimenter de manière efficace des particules minérales en suspension ainsi que des bactéries. Ce travail a aussi mis en évidence que ce polypeptide a une activité bactéricide, permettant une désinfection d'eau fortement contaminée. De plus, nous avons démontré que ce polypeptide est efficace contre de nombreuses souches bactériennes pathogènes, également celles résistantes aux antibiotiques comme Pseudomonas, Streptococcus et Legionella. L'analyse de la structure moléculaire de ce polypeptide, couplée à son analyse fonctionnelle a mis en évidence deux domaines structuraux distinct, un pour l'activité de floculation et l'autre pour l'activité antibactérienne. Nos résultats suggèrent que le domaine riche en glutamine est impliqué dans le processus de sédimentation et que l'activité antimicrobienne dépend d'un domaine formant une boucle amphiphilique. En ramifiant plusieurs copies de cette boucle on a pu augmenter de manière significative l'activité antibactérienne. En conclusion, nous avons pu démontrer que ce polypeptide à la capacité unique de combiner des propriétés de purification et de désinfection de l'eau, ce qui implique des mécanismes moléculaires distincts pour ces deux activités. Ce travail a permis d'identifier les domaines du polypeptide qui sont responsables de ses activités et offre une perspective pour le développement d'un nouvel agent antimicrobien.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Interactions between feather-degrading bacteria and an avian host : zebra finches (Taeniopygia guttata)

Abstract: Birds harbor a variety of bacteria on their plumage, some of which can degrade feathers in vitro. Whether these keratinolytic bacteria are active on live birds and can effect feather degradation on birds is debatable. The effect of such bacteria on the body condition and behavior of birds, is unknown. Using a community of feather-degrading bacteria (EB), we investigate the interaction between the activity and load of such bacteria, on the morphology, body condition, and behavior of zebra finches (Taeniopygia guttata). In Chapter 2, we find that the elevated loads of such microbes lead to a reduction in the expression of morphological traits, such as male bill color (a sexually selected trait) and uropygial gland volume, without reducing body mass, or evoking a cellular immune response. We also suggest the presence of a carotenoid based defense response in hosts, to such elevated loads of microbes and document a sex-based difference in the source of carotenoids used for such a response. In Chapter 3, we investigated the effect of EB loads on male mate choice of zebra finches, wherein male choice of females with elevated and un-altered bacterial loads, varied with male size. We found that larger males preferred females with higher bacterial load and smaller males preferred females with lower bacterial load. Chapter 4 demonstrates that the presence of melanin in feathers reduces the growth and activity of the community of feather-degrading bacteria (EB) and that the EB community can effect feather degradation in humid conditions, without broth. Additional results also demonstrate that the EB community consists of bacteria that can attach themselves to feathers on live birds and those that can live freely on avian plumage. Finally, chapter 5 demonstrates that the self-maintenance, social and sexual behaviors of birds are implicated in the infection and horizontal transmission of bacteria. It also suggests a linked oral - faecal - genital mode of transmission of pathogens in birds. These results demonstrate that differential loads of normal flora of vertebrate hosts can effect changes in their morphology and behavior. They also shed light on the role of feather-degrading bacteria in the evolution of melanin polymorphism in birds and suggest that bacteria can be active on live birds. This thesis also highlights the importance of social and, sexual behaviors of birds, in epidemiology. Résumé: Les Oiseaux ont dans leur plumage diverses bactéries dont certaines dégradent les plumes in vitro, néanmoins. Il n'est pas clair, au vu de précédentes études, si ces bactéries kératinolytiques sont actives sur des oiseaux vivants, et si celles-ci dégradent effectivement le plumage de leur hôte, L'effet de ces bactéries sur la condition corporelle ainsi que le comportement des oiseaux n'est pas connu. A l'aide d'une communauté de bactéries dégradant les plumes (EB), non pathogènes, nous examinons les interactions entre l'activité et la charge bactérienne sur la morphologie, la condition corporelle et le comportement du diamant mandarins (Taeniopygia guttata). Dans le chapitre 2, nous montrons qu'une charge élevée de ces microbes mène à une réduction de l'expression de certains traits morphologiques, tels que la couleur du bec chez le mâle (un trait soumis à sélection sexuelle), ainsi que le volume de la glande uropygienne, sans qu'il y ait une réduction de la masse corporelle, ni déclenchement d'une réponse immune cellulaire. Nos données suggèrent la présence d'une défense chez l'hôte à des charges élevées de bactéries basée sur la présence de caroténoïdes. Nous montrons, de plus une différence liée au sexe dans la source des caroténoïdes utilisé pour cette réponse. Dans le chapitre 3 nous examinons l'influence de la charge bactérienne EB sur le choix des mâles chez le diamant mandarins. Des femelles avec une charge bactérienne normale et augmentée sont choisies par les mâles et ce choix varie avec la taille des mâles. Nous avons mis en évidence que les grands mâles préfèrent les femelles avec une charge bactérienne plus élevée. Les petits mâles préfèrent les femelles avec une charge bactérienne réduite. Le chapitre 4 démontre que la présence de mélanine dans les plumes réduit la croissance et l'activité de la communauté de bactéries dégradant le plumage (EB), et que cette communauté EB peut dégrader les plumes dans des conditions humides, sans milieu de culture liquide. De plus nous montrons que cette communauté consiste en des bactéries qui peuvent s'attacher sur les plumes d'oiseaux vivants ainsi que des bactéries libres. Pour finir nous montrons dans le chapitre 5 que la maintenance corporelle, l'interaction sociale et le comportement sexuel de ces oiseaux sont impliqués dans l'infection et la transmission horizontale de ces bactéries. Nos données suggèrent une transmission orale-fécale-génitale des pathogènes chez les oiseaux. Ces résultats montrent que des charges différentes de la flore bactérienne habituelle et non pathogène de vertébrés peuvent affecter leur morphologie et leur comportement. Ils éclaircissent également le rôle des bactéries dégradant les plumes dans l'évolution du polymorphisme mélanique chez les oiseaux et suggèrent que ces bactéries peuvent être actives sur des oiseaux vivants. Cette thèse souligne également l'importance du comportement social et sexuel des oiseaux dans l'épidémiologie.

Excision of the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) and its crucial role in the horizontal transfer of methicillin resistance in staphylococci.

Staphylococcus aureus est un pathogène humain majeur ayant développé des résistances contre la quasi totalité des antibiotiques disponibles, incluant la très importante famille des β- lactamines. La résistance à cette classe d'antibiotiques est conférée par la « Staphylococcal Cassette Chromosome mec » (SCCmec), qui est un élément génétique mobile capable de s'insérer dans le chromosome bactérien et capable d'être transféré horizontalement chez d'autres staphylocoques. Le mécanisme moléculaire impliqué dans ce transfert horizontal demeure largement inconnu. L'une des premières étapes du transfert est l'excision du SCC mec du chromosome bactérien. Cette excision est promue par des enzymes codées par l'élément SCCmec lui- même et appelées de ce fait « Cassette Chromosome Recombinases » (Ccr). L'un des buts de ce travail de thèse a été de comprendre la régulation de l'expression des gènes codant pour les Ccr recombinases. En utilisant des outils moléculaires originaux, nous avons été en mesure de démontrer en premier lieu que les Ccr recombinases étaient exprimées de façon « bistable », c'est à dire qu'uniquement quelques pourcents de cellules dans une population exprimaient ces gènes à un temps donné. Dans un deuxième temps, nous avons également démontré que l'expression de ces gènes était régulée par des facteurs étrangers au SCC mec. L'expression bistable des recombinases est un concept important. Effectivement, cela permet à la majorité des cellules d'une population de conserver l'élément SCC mec, alors que seulement une petite fraction le perd afin de le rendre disponible pour un transfert. Ainsi, alors que l'élément SCC mec continue de se propager avec la multiplication des bactéries Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM), il peut être simultanément transmis à des souches susceptibles (Staphylococcus aureus susceptible à la méticilline, SASM), entraînant l'apparition de nouveaux SARM. De façon très intéressante, le fait que cette bistabilité est contrôlée par les bactéries, et non le SCCmec lui-même, montre que la décision de transférer ou non la cassette SCC mec appartient à la bactérie. En conséquence, il doit exister dans la nature des souches qui sont plus ou moins aptes à effectuer ce transfert. En nous appuyant sur ces observations, nous avons montré que l'excision du SCC mec était effectivement régulée de façon très étroite au cours de la division cellulaire, et ne se passait que pendant un temps limité au début de la croissance. Ce résultat est compatible avec une régulation génétique commandée par la densité cellulaire, qui pourrait être dépendante de la production de signaux extracellulaires, du type que l'on rencontre dans le quorum sensing. Les signaux hypothétiques entraînant l'excision du SCC mec restent inconnus à l'heure actuelle. La connaissance de ces signaux pourrait se révéler très importante afin de développer des stratégies pour interférer avec la dissémination de la résistance au β-lactamines. Deux sujets additionnels ont été logiquement investigués au vu de ces premiers résultats. Premièrement, si certaines souches de SARM sont plus ou moins aptes à déclencher l'excision du SCC mec, de même certaines souches de SASM devraient être plus ou moins aptes à acquérir cet élément. Deuxièmement, afin d'étudier ces mécanismes de transfert au niveau épidémiologique, il nous a été nécessaire de développer des outils nous permettant d'explorer le phénomène à une plus large échelle. Concernant le premier point, il a été postulé que certains SASM seraient réfractaires à l'intégration génomique d'un SCC mec en raison de polymorphismes particuliers à proximité du site d'insertion chromosomique (attB). En étudiant plus de 40 isolais de S. aureus, provenant de porteurs sains, nous avons confirmé ce polymorphisme dans l'environnement à'attB. De plus, nous avons pu montrer que ces régions polymorphiques ont évolué parallèlement à des groupes phylogénétiques bien connus. Ainsi, si des telles régions réfractaires à l'intégration de SCC mec existent, celles-ci devraient ségréger dans des complexes clonaux bien définis qui devraient être facilement identifiables au niveau épidémiologique. Concernant le second point, nous avons été capables de construire un système rapporteur de l'excision du SCCmec, en utilisant un plasmide à faible copie. Ce système consistait en un promoteur fort et un gène codant pour une protéine verte fluorescente (GFP) sous le contrôle d'un promoteur fort séparés à l'aide d'un élément SCC artificiel portant trois terminateurs de transcription. Ainsi, la fluorescence ne s'exprime que si l'élément SCC est excisé du plasmide. Ce système a été testé avec succès dans plusieurs types de staphylocoques, et est actuellement évalué dans d'autres souches et conditions stimulant ou inhibant l'excision. De manière générale, cette dissertation représente parcours scientifique à travers plusieurs aspects d'un problème de santé publique majeur en rapport avec la résistance bactérienne aux antibiotiques. Ce travail s'attaque à des problèmes fondamentaux concernant le transfert horizontal de l'élément SCC mec. De plus, il s'intéresse à des aspects plus généraux de cet élément génétique mobile qui pourraient se révéler très importants en terme de mouvement de gènes au sein des staphylocoques, voir d'autres bactéries gram-positives. Finalement ce travail de thèse met en place le fondamentaux requis pour des recherches futures visant à interférer avec le transfert horizontal de la résistance aux β-lactamines. - Staphylococcus aureus is a major human pathogen. Moreover, S. aureus have developed resistance to almost all available antibiotics, including the important family of β-lactam molecules. Intrinsic resistance to β-lactams is conferred by the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec), which is a mobile genomic island that inserts into the staphylococcal chromosome and can be horizontally transferred into other staphylococci. However, little is known about the molecular mechanisms involved in this horizontal transfer into naïve strains. One of the first steps in SCC mec horizontal transfer is its excision from the chromosome. Excision is mediated by recombinase enzymes that are encoded by SCC mec itself, and named accordingly Ccr recombinases - for Cassette Chromosome recombinases. One goal of this thesis was to understand the regulation these recombinase genes. By using original molecular tools we could demonstrate first that the Ccr recombinases were expressed in a "bistable" manner, i.e. in only few percentages of the bacterial cells at a given time, and second that they were regulated by determinants that were not encoded on the SCC mec element, but elsewhere on the staphylococcal genome. "Bistable" expression Ccr recombinases is an important concept. It allows SCC mec to be excised and thus available for horizontal transfer, while ensuring that only some cells, but not the whole population, loose their valuable SCC mec genes. Thus, while the SCC mec element expands with the multiplication of the MRSA colony, it can simultaneously be transmitted into methicillin-susceptible S. aureus (MSSA), which convert into new MRSA. Most interestingly, the fact that bistability was regulated by the cells, rather than by SCC mec, indicates that it was the choice of the bacteria to trigger or not SCC mec transfer. As a consequence, there must be, in nature, staphylococcal strains that are more or less prone to sustain SCC mec transfer. Following these seminal observations we found that excision was indeed tightly regulated during bacterial division, and occurred only during a limited period of time at the beginning of bacterial growth. This is compatible with cell-density mediated gene regulation, and may depend on the production of extracellular signal molecules that transmit appropriate orders to neighboring cells, such as in quorum sensing. The potential signal triggering SCCmec excision is as yet unknown. However, it could be critical in promoting the horizontal transfer of methicillin resistance, or for the possible development of means to interfere with it. Two additional hypothesis were logically investigated in the view of these first results. First, if some strains of MRSA might be more prone than others to promote SCC mec excision, then some strains of MS SA might be more or less prone to acquire the element as well. Second, to investigate these multiple mechanisms at an epidemiological level, one would need to develop tools amenable to explore S. aureus strains at a larger scale. Regarding the first issue, it was postulated by others that some MSSA might be refractory to SCC mec integration because they had peculiar DNA polymorphisms in the vicinity of the site-specific chromosomal entry point {attB) of SCC mec. By studying >40 S. aureus isolates from healthy carriers, we confirmed the polymorphism of the attB environment. Moreover, we could show that these polymorphic regions co-evolved with well-known phylogenic clonal clusters. Therefore, if SCCwec-refractory attB environments exist, then they would segregate in well- defined S. aureus clonal clusters that would be easy to identify at the epidemiological level. Regarding the second issue, we were able to construct a new excision reporter system in a low copy number S. aureus plasmid. The reporter system consists in a strong promoter driving a green fluorescent protein {gfp) gene, separated by an artificial SCC-like element carrying three transcriptional terminators. Thus, fluorescence is not expressed unless the SCC-like element is excised. The system has been successfully tested in several aureus and non- aureus staphylococci, and is now being applied to more strains and various excision- triggering or inhibiting conditions. Altogether the dissertation is a scientific journey through various aspects of a salient medical problem with regard to antibiotic resistance and public health threat. The research work tackles fundamental issues about the mechanisms of horizontal transfer of the SCC mec element. Moreover, it also addresses more general features of this mobile element, which could be of larger importance with regard to gene trafficking in staphylococci, and maybe other gram-positive bacteria. Finally, the dissertation sets the fundamentals for future work and possible new ways to interfere with the horizontal transfer of methicillin resistance.

Towards a system analysis of the early steps of infectious endocarditis pathogenesis

L'endocardite infectieuse (EI) est une maladie potentiellement mortelle qui doit être prévenue dans toute la mesure du possible. Au cours de ces dernières 50 années, les recommandations Américaines et Européennes pour la prophylaxie de PEI proposaient aux patients à risques de prendre un antibiotique, préventif avant de subir une intervention médico-chirurgicale susceptible d'induire une bactériémie transitoire. Cependant, des études épidémiologiques récentes ont montré que la plupart des EI survenaient en dehors de tous actes médico-chirurgicaux, et indépendamment de la prise ou non de prophylaxie antibiotique . L'EI pourrait donc survenir suite à la cumulation de bactériémies spontanées de faibles intensités, associées à des activités de la vie courante telle que le brossage dentaire pour le streptocoques, ou à partir de tissus colonisés ou de cathéters infectés pour les staphylocoques. En conséquence, les recommandations internationales pour la prophylaxie de PEI ont été revues et proposent une diminution drastique de l'utilisation d'antibiotiques. Cependant, le risque d'EI représenté par le cumul de bactériémies de faibles intensités n'a pas été démontré expérimentalement. Nous avons développé un nouveau modèle d'EI expérimentale induite par une inoculation en continu d'une faible quantité de bactéries, simulant le cumul de bactériémies de faibles intensités chez l'homme, et comparé l'infection de Streptococcus gordonii et de Staphylococcus aureus dans ce modèle avec celle du modèle d'IE induite par une bactériémie brève, mais de forte intensité. Nous avons démontré, après injection d'une quantité égale de bactéries, que le nombre de végétations infectées était similaire dans les deux types d'inoculations. Ces résultats expérimentaux ont confirmé l'hypothèse qu'une exposition cumulée à des bactériémies de faibles intensités, en dehors d'une procédure médico-chirurgicale, représentait un risque pour le développement d'une El, comme le suggéraient les études épidémiologiques. En plus, ces résultats ont validé les nouvelles recommandations pour la prophylaxie de l'El, limitant drastiquement l'utilisation d'antibiotiques. Cependant, ces nouvelles recommandations laissent une grande partie (> 90%) de cas potentiels d'EI sans alternatives de préventions, et des nouvelles stratégies prophylactiques doivent être investiguées. Le nouveau modèle d'EI expérimentale représente un modèle réaliste pour étudier des nouvelles mesures prophylactiques potentielles appliquées à des expositions cumulées de bactériémies de faible nombre. Dans un contexte de bactériémies spontanées répétitives, les antibiotiques ne peuvent pas résoudre le problème de la prévention de l'EI. Nous avons donc étudié la une alternative de prévention par l'utilisation d'agents antiplaquettaires. La logique derrière cette approche était basée sur le fait que les plaquettes sont des composants clés dans la formation des végétations cardiaques, et le fait que les bactéries capables d'interagir avec les plaquettes sont plus enclines à induire une El. Les agents antiplaquettaires utilisés ont été l'aspirine (inhibiteur du COX1), la ticlopidine (inhibiteur du P2Y12, le récepteur de l'ADP), et l'eptifibatide et Pabciximab, deux inhibiteurs du GPIIb/IIIa, le récepteur plaquettaire pour le fibrinogène. Les anticoagulants étaient le dabigatran etexilate, inhibant lathrombine et l'acenocumarol, un antagoniste de la vitamine K. L'aspirine, la ticlopidine ou l'eptifibatide seuls n'ont pas permis de prévenir l'infection valvulaire (> 75% animaux infectés). En revanche, la combinaison d'aspirine et de ticlopidine, aussi bien que l'abciximab, ont protégé 45% - 88% des animaux de l'EI par S. gordonii et par S. aureus. L'antithrombotique dabigatran etexilate à protégé 75% des rats contre l'EI par S. aureus, mais pas (< 30% de protection) par S. gordonii. L'acenocoumarol n'a pas eu d'effet sur aucun des deux organismes. En général, ces résultats suggèrent un possible rôle pour les antiplaquettaires et du dabigatran etexilate dans la prophylaxie de l'EI dans un contexte de bactériémies récurrentes de faibles intensités. Cependant, l'effet bénéfique des antiplaquettaires doit être soupesé avec le risque d'hémorragie inhérent à ces molécules, et le fait que les plaquettes jouent un important rôle dans les défenses de l'hôte contre les infections endovasculaires. En plus, le double effet bénéfique du dabigatran etexilate devrait être revu chez les patients porteurs de valves prothétiques, qui ont besoin d'une anticoagulation à vie, et chez lesquels l'EI à S. aureus est associée avec une mortalité de près de 50%. Comme l'approche avec des antiplaquettaires et des antithrombotiques pourrait avoir des limites, une autre stratégie prophylactique pourrait être la vaccination contre des adhésines de surfaces des pathogènes. Chez S. aureus, la protéine de liaison au fibrinogène, ou dumping factor A (ClfA), et la protéine de liaison à la fibronectine (FnbpA) sont des facteurs de virulence nécessaires à l'initiation et l'évolution de PEI. Elles représentent donc des cibles potentielles pour le développement de vaccins contre cette infection. Récemment, des nombreuses publications ont décrit que la bactérie Lactococcus lactis pouvait être utilisée comme vecteur pour la diffusion d'antigènes bactériens in vivo, et que cette approche pourrait être une stratégie de vaccination contre les infections bactériennes. Nous avons exploré l'effet de l'immunisation par des recombinant de L. lactis exprimant le ClfA, la FnbpA, ou le ClfA ensemble avec et une forme tronquée de la FnbpA (Fnbp, comprenant seulement le domaine de liaison à la fibronectine mais sans le domaine A de liaison au fibrinogène [L. lactis ClfA/Fnbp]), dans la prophylaxie de PIE expérimentale à S. aureus. L. lactis ClfA a été utilisés comme agent d'immunisation contre la souche S. aureus Newman (qui a particularité de n'exprimer que le ClfA, mais pas la FnbpA). L. lactis ClfA, L. lactis FnbpA, et L. lactis ClfA/Fnbp, ont été utilisé comme agents d'immunisation contre une souche isolée d'une IE, S. aureus P8 (exprimant ClfA et FnbpA). L'immunisation avec L. lactis ClfA a généré des anticorps anti-ClfA fonctionnels, capables de bloquer la liaison de S. aureus Newman au fibrinogène in vitro et protéger 13/19 (69%) animaux d'une El due à S. aureus Newman (P < 0.05 comparée aux contrôles). L'immunisation avec L. lactis ClfA, L. lactis FnbpA, ou L. lactis ClfA/Fnbp, a généré des anticorps contre chacun de ces antigènes. Cependant, ils n'ont pas permis de bloquer l'adhésion de S. aureus P8 au fibrinogène et à la fibronectine in vitro. De plus, l'immunisation avec L. lactis ClfA ou L. lactis FnbpA s'est avérée inefficace in vivo (< 10% d'animaux protégés d'une El) et l'immunisation avec L. lactis ClfA/Fnbp a fourni une protection limitée de l'EI (8/23 animaux protégés; P < 0.05 comparée aux contrôles) après inoculation avec S. aureus P8. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent que L. lactis est un système efficace pour la présentation d'antigènes in vivo et potentiellement utile pour la prévention de PEI à S. aureus. Cependant, le répertoire de protéines de surface de S. aureus capable d'évoquer une panoplie d'anticorps efficace reste à déterminer.. En résumé, notre étude a démontré expérimentalement, pour la première fois, qu'une bactériémie répétée de faible intensité, simulant la bactériémie ayant lieu, par exemple, lors des activités de la vie quotidienne, est induire un taux d'EI expérimentale similaire à celle induite par une bactériémie de haute intensité suite à une intervention médicale. Dans ce contexte, où l'utilisation d'antibiotiques est pas raisonnable, nous avons aussi montré que d'autres mesures prophylactiques, comme l'utilisation d'agents antiplaquettaires ou antithrombotiques, ou la vaccination utilisant L. lactis comme vecteur d'antigènes bactériens, sont des alternatives prometteuses qui méritent d'être étudiées plus avant. Thesis Summary Infective endocarditis (IE) is a life-threatening disease that should be prevented whenever possible. Over the last 50 years, guidelines for IE prophylaxis proposed the use of antibiotics in patients undergoing dental or medico-surgical procedures that might induce high, but transient bacteremia. However, recent epidemiological studies indicate that IE occurs independently of medico-surgical procedures and the fact that patients had taken antibiotic prophylaxis or not, i.e., by cumulative exposure to random low-grade bacteremia, associated with daily activities (e.g. tooth brushing) in the case of oral streptococci, or with a colonized site or infected device in the case of staphylococci. Accordingly, the most recent American and European guidelines for IE prophylaxis were revisited and updated to drastically restrain antibiotic use. Nevertheless, the relative risk of IE represented by such cumulative low-grade bacteremia had never been demonstrated experimentally. We developed a new model of experimental IE due to continuous inoculation of low-grade bacteremia, mimicking repeated low-grade bacteremia in humans, and compared the infectivity of Streptococcus gordonii and Staphylococcus aureus in this model to that in the model producing brief, high-level bacteremia. We demonstrated that, after injection of identical bacterial numbers, the rate of infected vegetations was similar in both types of challenge. These experimental results support the hypothesis that cumulative exposure to low-grade bacteremia, outside the context of procedure-related bacteremia, represents a genuine risk of IE, as suggested by human epidemiological studies. In addition, they validate the newer guidelines for IE prophylaxis, which drastic limit the procedures in which antibiotic prophylaxis is indicated. Nevertheless, these refreshed guidelines leave the vast majority (> 90%) of potential IE cases without alternative propositions of prevention, and novel strategies must be considered to propose effective alternative and "global" measures to prevent IE initiation. The more realistic experimental model of IE induced by low-grade bacteremia provides an accurate experimental setting to study new preventive measures applying to cumulative exposure to low bacterial numbers. Since in a context of spontaneous low-grade bacteremia antibiotics are unlikely to solve the problem of IE prevention, we addressed the role of antiplatelet and anticoagulant agents for the prophylaxis of experimental IE induced by S. gordonii and S. aureus. The logic of this approach was based on the fact that platelets are key players in vegetation formation and vegetation enlargement, and on the fact that bacteria capable of interacting with platelets are more prone to induce IE. Antiplatelet agents included the COX1 inhibitor aspirin, the inhibitor of the ADP receptor P2Y12 ticlopidine, and two inhibitors of the platelet fibrinogen receptor GPIIb/IIIa, eptifibatide and abciximab. Anticoagulants included the thrombin inhibitor dabigatran etexilate and the vitamin K antagonist acenocoumarol. Aspirin, ticlopidine or eptifibatide alone failed to prevent aortic infection (> 75% infected animals). In contrast, the combination of aspirin with ticlopidine, as well as abciximab, protected 45% to 88% of animals against IE due to S. gordonii and S. aureus. The antithrombin dabigatran etexilate protected 75% of rats against IE due to S. aureus, but failed (< 30% protection) against S. gordonii. Acenocoumarol had no effect against any bacteria. Overall, these results suggest a possible role for antiplatelet agents and dabigatran etexilate in the prophylaxis of IE in humans in a context of recurrent low- grade bacteremia. However, the potential beneficial effect of antiplatelet agents should be balanced against the risk of bleeding and the fact that platelets play an important role in the host defenses against intravascular infections. In addition, the potential dual benefit of dabigatran etexilate might be revisited in patients with prosthetic valves, who require life-long anticoagulation and in whom S. aureus IE is associated with high mortality rate. Because the antiplatelet and anticoagulant approach might be limited in the context of S. aureus bacteremia, other prophylactic strategies for the prevention of S. aureus IE, like vaccination with anti-adhesion proteins was tested. The S. aureus surface proteins fibrinogen-binding protein clumping-factor A (ClfA) and the fibronectin-binding protein A (FnbpA) are critical virulence factors for the initiation and development of IE. Thus, they represent key targets for vaccine development against this disease. Recently, numerous reports have described that the harmless bacteria Lactococcus lactis can be used as a bacterial vector for the efficient delivery of antigens in vivo, and that this approach is a promising vaccination strategy against bacterial infections. We therefore explored the immunization capacity of non- living recombinant L. lactis ClfA, L. lactis FnbpA, or L. lactis expressing ClfA together with Fnbp (a truncated form of FnbpA with only the fibronectin-binding domain but lacking the fibrinogen-binding domain A [L. lactis ClfA/Fnbp]), to protect against S. aureus experimental IE. L. lactis ClfA was used as immunization agent against the laboratory strain S. aureus Newman (expressing ClfA, but lacking FnbpA). L. lactis ClfA, L. lactis FnbpA, as well as L. lactis ClfA/Fnbp, were used as immunization agents against the endocarditis isolate S. aureus P8 (expressing both ClfA and FnbpA). Immunization with L. lactis ClfA produced anti-ClfA functional antibodies, which were able to block the binding of S. aureus Newman to fibrinogen in vitro and protect 13/19 (69%) animals from IE due to S. aureus Newman (P < 0.05 compared to controls). Immunization with L. lactis ClfA, L. lactis FnbpA or L. lactis ClfA/Fnbp, produced antibodies against each antigen. However, they were not sufficient to block S. aureus P8 binding to fibrinogen and fibronectin in vitro. Moreover, immunization with L. lactis ClfA or L. lactis FnbpA was ineffective (< 10% protected animals) and immunization with L. lactis ClfA/Fnbp conferred limited protection from IE (8/23 protected animals; P < 0.05 compared to controls) after challenge with S. aureus P8. Together, these results indicate that L. lactis is an efficient delivering antigen system potentially useful for preventing S. aureus IE. They also demonstrate that expressing multiple antigens in L. lactis, yet to be elucidated, will be necessary to prevent IE due to clinical S. aureus strains fully equipped with virulence determinants. In summary, our study has demonstrated experimentally, for the first time, the hypothesis that low-grade bacteremia, mimicking bacteremia occurring outside of a clinical intervention, is equally prone to induce experimental IE as high-grade bacteremia following medico-surgical procedures. In this context, where the use of antibiotics for the prophylaxis of IE is limited, we showed that other prophylactic measures, like the use of antiplatelets, anticoagulants, or vaccination employing L. lactis as delivery vector of bacterial antigens, are reasonable alternatives that warrant to be further investigated.

The role of Toll-like Receptor (TLR) 9 in the development of a T-helper (Th)1/Th2 response in the murine model of infection with " Leishmania major "

1.1 SUMMARY The role of the non-specific innate immune system is as important as the elaboration of the adaptive immune system in the initiation of an immune response to pathogens. The role of the Toll-like receptors (TLRs) in the innate immune response to virus and bacterial pathogens is widely recognised, however, little is known about the role of TLRs in host defence against eukaryotic pathogens. Immunologic investigations on the marine model of infection with Leishmania major (L. major) have correlated the outcome of the disease with expansion of different subsets of CD4+ cells, designated Th1 and Th2. The resistance of C57BL/6, CBA and C3H/He mice is linked with an IL-12 driven Th1 response. In BALB/c mice the susceptibility correlates with an IL-4 driven Th2 response. The initial event promoting the development of a Th1 or Th2 response still remains elusive. Recently, the contribution of the TLR signalling pathway in the innate and acquired immune response to infection with the intracellular protozoan parasite L. major has been demonstrated. Thus, the purpose of this study is to determine whether TLRs may play a role in influencing the outcome of the infection by directing the development of a Th1 or a Th2 response during infection with L, major parasites, in resistant C57BL/6 and susceptible BALB/c mice, respectively. We demonstrated that MyD88, the major TLR adaptor molecule is necessary for C57BL/6 to develop a resistant Th1 response following L. major infection. Our data show the essential role of MyD88 in the establishment of a protective Th1 response. We subsequently aimed to determine which TLRs may be involved in the protective response. Since TLR2 and TLR4 have shown to have a potential role for Leishmania recognition, we analysed the course of infection in TLR2 and TLR4 deficient mice on a C57BL/6 resistant background following L. major infection. Our results clearly demonstrate that TLR2 or TLR4 aze dispensable to control the outcome of the disease as the TLR2 and TLR4 knockout mice developed a protective Th1 response. With the aim of determining a potential TLR candidate important in the initiation of the Thl response, we assessed the mRNA expression of different TLRs (TLR1 to TLR9) using quantitative real-time RT-PCR at different time points during the first week of infection. The results clearly showed an upregulation of TLR7 and TLR9 mRNA expression during the early phase of infection in resistant C57BL/6 mice but not in susceptible BALB/c mice. To provide in vivo evidence for the role for, these TLRs in the outcome of cutaneous leishmaniasis, studies using TLR7 and TLR9 deficient mice on a resistant C57BL/6 background were performed. The TLR7 deficient mice developed a resistance phenotype that was comparable with C57BL/6 wild type mice. Thus, the presence of TLR7 is not indispensable for the development of a Th1 response and resistance to infection. On the contrary, TLR9 deficient mice on the C57BL/6 resistant background showed high variability in the outcome of the disease. Although some mice behave as resistant C57BL/6 mice, half of them developed high lesion following infection and showed a decrease in IFN-γ production and an increase in IL-4 as compared to wild type mice. These results suggest that TLR9 may be involved in the control of infection. To test the hypothesis that regulatory T cells (Treg) are playing a role in the high variability in the disease outcome in TLR9 deficient mice, depletion of CD4+CD25+ T cells with a specific antibody three days before infection with L. major were performed Interestingly, these treated mice developed large lesions, low IL-4 and decreased IFN-γ producion when compared to untreated mice. A better understanding of the mechanism by which Treg cells influence the outcome of the disease in TLR9 deficient mice following L. major infection is currently under investigation. Altogether, this study demonstrates the importance of TLR9 in the induction of a protective T'h1 response, a process that is involved in the resolution of the lesion induced by L. major infection. 1.2 RÉSUMÉ Le rôle de la réponse immunitaire innée a longtemps été négligé quant à l'impact qu'elle pourrait avoir dans l'initiation d'une réponse immune adaptative efficace dirigée contre un pathogène. Si l'importance des récepteurs Toll-like (TLR) du système inné dans la reconnaissance des virus et bactéries a été démontrée, son rôle dans la défense contre les pathogènes eucaryotes reste encore très élusif. Récemment, il a été montré que les voies de signalisation provenant de l'activation des TLRs pouvaient initier la réponse immunitaire innée et adaptative après une infection avec le parasite protozoaire Leishmania major (L. major). Dans un modèle marin d'infection avec L. major alors que la plupart des souches de souris telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1) induite par IL-12, peu de souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse Th2 induite par IL-4. La différentiation Th1/Th2 est un événement qui prend place de manière définitive lors de la première semaine après infection. Les événements précoces promouvant le développement d'une réponse Th1 ou Th2 n'étant pas connus, l'objectif de ce travail a été de démontrer un rôle des TLRs dans l'initiation d'une réponse immune innée et adaptative suite à l'infection par L. major. Nous avons démontré que MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, est nécessaire pour que les souris résistantes C57BL/6 développent une réponse Th1 protectrice. L'importance du rôle de TLR2 et TLR4 dans la reconnaissance du parasite Leishmania ayant été démontrée, nous avons privilégié l'analyse de la réponse immunitaire suite à une infection in vivo de souris déficiente en TLR2 ou TLR4 sur un fond génétique résistant. Les résultats obtenus montrent que la présence de ces récepteurs n'est pas indispensable pour le contrôle de l'infection et la polarisation d'une réponse Th1 caractéristique de la résistance à L. major. Cependant d'autres TLRs peuvent aussi activer la voie de signalisation MyD88 dépendante. L'expression de l'ARNm des différents TLRs dans les ganglions drainant de souris sensibles et résistantes pendant la première semaine d'infection a été déterminée par PCR quantitative en temps réel. Les résultats obtenus montrent que l'ARNm de TLR7 et TLR9 était régulé positivement suite à l'infection par L. major chez les souris résistantes C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était détectable chez les souris sensibles BALB/c. Le rôle des récepteurs TLR7 et TLR9 a donc été évalué par l'infection par L. major des souris déficientes en TLR7 et TLR9 sur fond génétique C57BL/6. Nos résultats ont clairement démontré que les souris déficientes en TLR7 montrent une réponse immunitaire identique à celle des souris résistantes C57BL/6, signifiant que TLR7 n'est pas indispensable au développement d'une Th1 ainsi qu'au contrôle de la parasitémie. Paz contre, les souris déficientes en TLR9 sur un fond génétique résistant ont montré une grande variabilité dans la réponse à l'infection. En effet, la moitié des souris deviennent sensibles à l'infection, ceci étant associé à une diminution dans la production d'IFN-γ et à une augmentation de la production d'IL-4. Ces résultats suggèrent que TLR9 est impliqué dans le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Cependant les résultats avec les souris déficientes en TLR9 montrant une grande hétérogénéité et une balance Th1/Th2 instable, nous avons émis l'hypothèse que les cellules T régulatrices pouvaient être impliquées dans ce phénomène. Nous avons effectivement constaté qu'après déplétion des cellules CD4+CD25+, les souris déficientes en TLR9 développent des lésions aussi grandes que les souris BALB/c après infection par L. major. Cependant le nombre de parasites reste le même que chez les souris C57BL/6. De plus la production d'IL-4 ainsi que celle d'IFN-γ reste extrêment bas. Les mécanismes régulateurs impliqués dans ce processus sont en cours d'analyse. Ce travail met en évidence l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. 1.3 RESUME POUR UN LARGE PUBLIC La leishmaniose est une maladie parasitaire répandue dans le monde entier et touchant plus de 88 pays. L'incidence mondiale de la leishmaniose cutanée et de 1 à 1,5 million de nouveaux cas par année. Plus de 12 millions de personnes sont affectées par la maladie et 350 millions de personnes sont une population à risque. Un modèle marin d'infection avec Leishmania major (L. major) a été établi qui reproduit plusieurs tableaux cliniques observés dans le cas de la leishmaniose cutanée chez l'homme. L'analyse de la réponse immunitaire dans les souris infectées par L. major a permis de distinguer deux groupes : les souris de la plupart des souches telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1), alors que quelques souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse de type Th2. La réponse immune adaptative dans le modèle d'infection avec L. major à été largement étudiée. Cependant, les événements précoces déterminants pour le développement d'une réponse Th1 ou Th2 restent encore très flous. Récemment, plusieurs publications ont montré que les récepteurs Toll-like (TLR) peuvent contribuer à l'initiation de la réponse immunitaire lors d'une infection avec le parasite intracellulaire L. major. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le rôle de MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, dans la réponse immune suite à une infection avec L. major. En l'absence de MyD88, les souris normalement résistantes à l'infection avec L. major deviennent sensibles et développent des lésions importantes. Ces souris ne sont plus capables de développer une réponse Thl, normalement caractéristique de leur phénotype résistant. Nous avons ensuite tenté de comprendre quels TLRs, plus précisément, pouvait être impliqué dans ce processus. Malgré quelques évidences démontrant que TLR2 et TLR4 pouvaient avoir un rôle important dans l'initiation d'une réponse immunitaire adaptative à Leishmania, nous avons montré que, in vivo après infection avec L. major, la déficience d'un de ces récepteurs n'était pas suffisante à faire basculer la réponse immunitaire. Les souris C57BL/6 déficient en TLR2 ou TLR4 peuvent parfaitement contrôler l'évolution de la maladie. De plus, ces souris, malgré l'absence de TLR2 ou TLR4, sont capables de monter une parfaite réponse Thl. Etant donné que TLR2 et TLR4 n'étaient pas essentiels pour la résistance à la maladie, nous avons analysé les TLRs, parmi les 12 décrits qui pouvaient être indispensables au développement d'une réponse de type Th1 associée à la résistance à l'infection par Leishmania. Nos expériences ont montré que l'expression de l'ARN messager (ARNm) de TLR7 et TLR9 était modulée suite à l'infection par L. major chez la souris résistante C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était visible chez les souris sensible BALB/c. Pensant que ces TLRs pourraient jouer un rôle dans la réponse immunitaire au parasite, nous avons étudié l'évolution de l'infection dans les souris déficientes en TLR7 et TLR9. Nos résultats ont clairement démontré que TLR7 n'était pas indispensable à la résistance au parasite alors que l'absence de TLR9 avait des conséquences radicales sur le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Ce travail révèle ainsi l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. Il est a noté que nos résultats sont en accord avec le fait que les motifs CpG, qui sont des immunostimulateurs interagissant avec le TLR9, ont une activité adjuvante importante dans la préparation de vaccins contre la leishmaniose. Une meilleure compréhension des mécanismes immunologiques impliquant le TLR9 dans la reconnaissance du parasite est alors indispensable pour le développement de vaccins thérapeutiques efficaces.

Molecular characterization of Unc5CL/ZUD

Résumé : Au cours de l'évolution, les organismes multicellulaires ont développé le système immunitaire afin de pouvoir se défendre contre les pathogènes tel que les bactéries, les virus, et les parasites. La réponse immunitaire doit être finement régulée par différentes voies de signalisation moléculaire, afin d'assurer une efficacité optimale, et d'éviter des dommages tissulaires indésirables. Les résultats expérimentaux décrits dans ce manuscrit, mettent en évidence que la protéine Unc5CL, qui contient un death domain (DD), est impliquée dans la régulation de la réponse immunitaire des muqueuses. Il a été démontré que cette protéine contient aussi un domaine transmembranaire de type III dans sa partie N-terminale, permettant ainsi de l'ancrer et d'exposer sa partie C-terminale dans le cytosol, un prérequis pour la signalisation dans ce compartiment cellulaire. De plus, cette protéine a la capacité d'activer le facteur de transcription NFxB, qui joue un rôle important dans le système immunitaire, ainsi que dans d'autres processus cellulaires essentiels. Le profil transcriptionnel révèle que l'activation de NF-κB induite par Unc5CL conduit principalement à une réponse inflammatoire, qui se caractérise par la production de diverses chimiokines (e.g. CXCL-1, IL-8 et CCL20). Il a également été démontré que Unc5CL requiert les mêmes molécules qui sont utilisées dans la voie de signalisation des récepteurs de la famille toll et de l'interleukine-1. De manière similaire à leur protéine adaptatrice MyD88, Unc5CL a la capacité de recruter, via une interaction homotypique DD-DD, les kinases IRAK1 et IRAK4 qui contiennent elles aussi un DD, permettant ainsi au signal d'être transmis. La production d'un anticorps polyclonal contre le DD de Unc5CL a permis d'identifier des lignées cellulaires et des tissus exprimant cette protéine, ainsi que de déterminer sa localisation sub-cellulaire. Unc5CL a été détecté dans les cellules de la muqueuse utérine et intestinale, ainsi que dans une lignée cellulaire issue d'un adénocarcinome colorectal humain, les CaCo-2. Dans chacun de ces cas, Unc5CL a été principalement détectée au niveau apical des cellules épithéliales polarisées. De manière similaire à PIDD, une protéine impliquée dans la réponse aux dommages à l'ADN, et au constituant des pores nucléaires Nup98, Unc5CL est constitutivement clivé de manière autoprotéolytique, au niveau d'un site HFS. Il est intéressant d'observer que les deux fragments ainsi générés restent fortement associés l'un à l'autre après clivage. Finalement, un criblage protéomique pour identifier un partenaire d'interaction, a mis en évidence l'ubiquitin ligase E3 ITCH, qui régule de manière négative Unc5CL en augmentant sa dégradation. Summary : Multicellular organisms have evolved the immune system in order to defend themselves against pathogens such as bacteria, viruses and eukaryotic parasites. Immune responses have to be tightly orchestrated by signaling mechanisms to achieve optimal effectiveness and minimal tissue damage. The experimental results in this thesis manuscript provide evidence that the death domain (DD)-containing protein Unc5CL might be involved in the regulation of mucosal immune responses. It could be shown that the protein contains an N-terminal type-III transmembrane domain that anchors the protein with its C-terminus exposed to the cytosol, a prerequisite for signaling events in this compartment. Furthermore, the protein has the capacity to activate the transcription factor NF-κB, which plays an important role in the immune system as well as in other essential cellular processes. Transcriptional profiling revealed that Unc5CL-mediated activation of NF-κB mainly leads to an inflammatory response, characterized by the production of chemokines (e.g. CXCL-l, IL-8 and CCL20). Furthermore, it could be shown that Unc5CL requires the same downstream signaling molecules as the evolutionarily ancient tolUinterleukin-1 receptor family. Similar to their adapter protein MyD88, Unc5CL has the capacity to recruit the DD-containing kinases IRAKI and IRAK4 for signaling and can interact with these proteins via homotypic DD-DD interactions. Generation of polyclonal antibodies raised against the DD of Unc5CL allowed the identification of cell lines and tissues that express the endogenous protein as well as to confine its subcellular localization. Unc5CL was detected in primary mucosal uterine and intestinal epithelial cells as well as in the human colorectal adenocarcinoma cell line CaCo-2. In all cases, the protein was mainly localized to the apical face of these polarized epithelial cells. Similar to PIDD, a protein critically involved in responses to DNA damage, and the nuclear pore component Nup98, Unc5CL is constitutively autoproteolytically processed at an HFS site. Interestingly, the two generated cleavage fragments remain tightly associated after processing. Finally, a proteomics screen for interaction partners identified the E3 ubiquitin ligase ITCH as a negative regulator of Unc5CL by targeting the protein for degradation.

Histone deacetylase inhibitors impair antibacterial defenses of macrophages

Les déacetylases d'histones (HDACs) déacétylent non seulement les histones, ce qui a généralement pour effet d'augmenter la transcription et l'expression génique, mais également d'autres protéines comme par exemple des protéines de choc thermique (HSP90), la tubuline alpha, certains récepteurs aux stéroïdes ainsi que de nombreux facteurs de transcription (NF-kB p65, Sp1, etc.). Ainsi les HDACs participent au contrôle de nombreux processus cellulaires. Les inhibiteurs des HDACs (ou HDACi), de part leur capacité à induire la différenciation cellulaire et l'apoptose, sont parmi les anti-cancéreux les plus prometteurs en cours de développement pour dans le traitement des néoplasies solides et hématologiques. Récemment, l'activité anti-inflammatoire et immuno- modulatrice des HDACi a été mise en évidence et exploitée avec succès pour le traitement de pathologies auto-immunes dans des modèles précliniques. L'effet des HDACi sur la réponse immunitaire innée restant largement inconnu, nous avons entrepris la première étude d'envergure dans ce domaine. Dans un premier article, nous démontrons que les HDACi inhibent l'expression de nombreux gènes (récepteurs aux produits microbiens, cytokines, chimiokines, molécules d'adhésion et co-stimulatrices, facteurs de croissance, etc.) impliqués dans les défenses anti¬infectieuses in vitro. En accord avec ces données, les HDACi augmentent la mortalité d'animaux infectés dans des modèles de pneumonie et de candidose bénignes. De manière congruente, les HDACi protègent les animaux de mortalité induite par choc toxique et septique en inhibant la réponse inflammatoire exubérante qui caractérise ces pathologies (Roger T. et al., Blood 2011). Afin de caractériser plus en détails l'influence des HDACi sur la réponse immunitaire innée, nous avons également analysé l'impact de deux HDACi, l'acide valproïque (VPA) et la trichostatin A (TSA), sur les principaux mécanismes de défenses antimicrobiennes des macrophages. Dans un second article (Mombelli et al., Journal of Infectious Diseases 2011), nous rapportons que la VPA et la TSA diminuent la capacité des macrophages à phagocyter et à détruire les bactéries Gram-positives Staphylococcus aureus et Gram-négatives Escherichia coli. En accord avec ces données, les HDACi inhibent l'expression de molécules impliquées dans la phagocytose comme les récepteurs éboueurs (Msr 1 et CD14) et de type lectine (Dectin 1), ainsi que les récepteurs aux opsonines (intégrines). Par ailleurs, les HDACi interfèrent avec l'expression de différentes sous unités de la NADPH oxydase (gp91p"ox, p22 phox, p47 phox, p40 phox, p67 phox et Rac2) et de l'oxyde nitrique (NO) synthétase inductible (iNOS), qui sont responsables de la production de dérivés oxygénés (ROS) et nitrogénés (NO) essentiels à la destruction des microorganismes dans le phagolysosome. En résumé, cette étude décrit des mécanismes par lesquels les HDACi diminuent la capacité d'ingérer et de détruire les bactéries, et ainsi augmentent la susceptibilité aux infections. Globalement, nos données indiquent que les HDACi sont de puissants anti¬inflammatoires qui pourraient favoriser la survenue d'infections chez les patients cancéreux traités avec ces drogues, comme semble par ailleurs le suggérer des études cliniques rapportées dans la littérature. Nous proposons un suivi clinique infectieux strict chez les patients traités avec ces agents.

Installations de compostage industriel : exposition aux bioaérosols et effets sur la santé des travailleurs

La quantité de déchets ménagers et industriels ne cesse d'augmenter. Le tri sélectif des ordures est devenu systématique dans beaucoup de municipalités européennes et le compostage industriel des matières organiques par maturation accélérée en système clos a acquis une place prépondérante. Cependant, ce type de compostage nécessite une forte concentration de divers micro-organismes. Il en résulte un risque microbiologique aéroporté encore mal évalué pour les travailleurs exposés à ces atmosphères chargées en bioaérosols (bactéries, champignons et endotoxines en suspension dans l'air). [Auteur]

Diversitat bacteriana a les esponges marines

L’objectiu principal del projecte era aprofundir en el coneixement de les malalties de les esponges, centrant-nos en la diversitat bacteriana que acullen. Als estius 2008 i 2009 va haver episodis d’elevades temperatures de l’aigua de mar que van suposar importants mortalitats massives d’esponges a la Mediterrània. Contra tot pronòstic, els estius del projecte, el 2010 i el 2011, no van resultar especialment calorosos i no hi va haver episodis de mortalitat. És un fet molt positiu per les comunitats bentòniques però algun dels objectius específics de la meva proposta no es va poder dur a terme com havien estat platejats inicialment. Disposàvem de diferents mostres d’esponges malaltes de l’espècie Ircinia fasciculata, sanes i aigua circumdant recollides l’estiu 2009 i fixades per DNA, per això s’han pogut identificar i caracteritzar els canvis en la comunitat microbiològica de les esponges malaltes respecte de les sanes. Hem constatat que més que una infecció per un o pocs patògens puntuals, com havien proposat alguns autors, hi ha un canvi dràstic en la comunitat microbiològica associada a les esponges. Les esponges malaltes, on dominen els bacteris heterotròfics, presenten una major diversitat bacteriana que les sanes, on dominen els autòtrofs. Tot i que no es va poder realitzar un nou mostreig d’individus malalts, i algun objectiu específic no es va poder desenvolupar, vaig aprofitar l’estada en un centre de referència en estudis de la diversitat microbiana, per ampliar el coneixement general de les comunitats bacterianes associades a esponges. Es van realitzar nous estudis en què vam testar si totes les esponges (bacteriosponges i no) presenten simbionts reals o si les no-bacteriosponges presenten un enriquiment de les comunitats de l’aigua de mar però no una flora específica. El resultat és que totes les esponges presenten associacions molt específiques malgrat hi ha fortes diferències entre les comunitats microbianes associades a bacteriosponges i a no-bacteriosponges.

Antigen-secretory IgA immune complexes are retro-transported into mouse Peyer's patches: immunotargeting to dendritic cells

RÉSUMÉ Les plaques de Peyer (PP) représentent le site d'entrée majeur des pathogènes au niveau des muqueuses intestinales. Après avoir traversé la cellule M, l'antigène est pris en charge par les cellules dendritiques (DC) de la région sub-épithéliale du dôme des PP. Ces dernières activent une réponse immunitaire qui conduit à la production de l'IgA de sécrétion (SIgA), l'anticorps majeur au niveau muqueux. Des études précédentes dans notre laboratoire ont démontré qu'après administration de SIgA dans des anses intestinales de souris, les SIgA se lient spécifiquement aux cellules M, entrent dans les PP, et sont éventuellement internalisées par les DC. Le but de ce travail est de comprendre la relevance biologique de l'entrée des SIgA dans les PP et leur relevance physiologique dans l'homéostasie mucosale. Dans un premier temps, nous avons montré en utilisant une méthode de purification optimisée basée sur une isolation magnétique, que, en plus des DC myéloïdes (CD11c+/CD11b+) et des DC lymphoïdes (CD11c+/CD8+), les PP de souris contiennent un nouveau sous-type de DC exprimant les marqueurs CD11c et CD19. L'utilisation de la microscopie confocale nous a permis de démontrer que les DC myéloïdes internalisent des SIgA, contrairement aux DC lymphoïdes qui n'interagissent pas avec les SIgA, alors que le nouveau sous-type de DC exprimant CD19 lie les SIgA. En plus, nous avons démontré qu'aucune des DC de rate, de ganglion bronchique ou de ganglion inguinal interagit avec les SIgA. Dans le but d'explorer si les SIgA peuvent délivrer des antigènes aux DC des PP in vivo, nous avons administré des complexes immunitaires formés de Shigella flexneri complexées à des SIgA, dans des anses intestinales de souris. Nous avons observé une entrée dans les PP, suivie d'une migration vers les ganglions mésentériques drainants, contrairement aux Shigella flexneri seules, qui n'infectent pas la souris par la voie intestinale. Shigella flexneri délivrée par SIgA n'induit pas de destruction tissulaire au niveau de l'intestin. En plus de l'exclusion immunitaire, ces résultats suggèrent un nouveau rôle des SIgA, qui consiste à transporter des antigènes à l'intérieur des PP dans un contexte non-inflammatoire. RÉSUMÉ DESTINÉ À UN LARGE PUBLIC L'intestin a pour rôle principal d'absorber les nutriments digérés tout au long du tube digestif, et de les faire passer dans le compartiment intérieur sanguin. Du fait de son exposition chronique avec un monde extérieur constitué d'aliments et de bactéries, l'intestin est un endroit susceptible aux infections et a donc besoin d'empêcher l'entrée de microbes. Pour cela, l'intestin est tapissé de "casernes" appelées les plaques de Peyer, qui appartiennent à un système de défense appelé système immunitaire muqueux. Les plaques de Peyer sont composées de différents types de cellules, ayant pour rôle de contrôler l'entrée de microbes et de développer une réaction immunitaire lors d'infection. Cette réaction immunitaire contre les microbes (antigènes) débute par la prise en charge de l'antigène par des sentinelles, les cellules dendritiques. L'antigène est préparé de façon à être reconnu par d'autres cellules appelées lymphocytes T capables d'activer d'autres cellules, les lymphocytes B. La réaction immunitaire résulte dans la production par les lymphocytes B d'un anticorps spécifique appelé IgA de sécrétion (SIgA) au niveau de la lumière intestinale. De manière classique, le rôle de SIgA au niveau de la lumière intestinale consiste à enrober les microbes et donc exclure leur entrée dans le compartiment intérieur. Dans ce travail, nous avons découvert une nouvelle fonction des SIgA qui consiste à introduire des antigènes dans les plaques de Peyer, et de les diriger vers les cellules dendritiques. Sachant que les SIgA sont des anticorps qui ne déclenchent pas de réactions de défense violentes dites inflammatoires, l'entrée des antigènes via SIgA serait en faveur d'une défense intestinale maîtrisée sans qu'il y ait d'inflammation délétère. Ces résultats nous laissent supposer que l'entrée d'antigènes via SIgA pourrait conduire le système immunitaire muqueux à reconnaître ces antigènes de manière appropriée. Ce mécanisme pourrait expliquer les désordres immunitaires de types allergiques et maladies auto-immunitaires que l'on rencontre chez certaines personnes déficientes en IgA, chez qui cette lecture d'antigènes de manière correcte serait inadéquate. ABSTRACT Peyer's patches (PP) represent the primary site for uptake and presentation of ingested antigens in the intestine. Antigens are sampled by M cells, which pass them to underlying antigen-presenting cells including dendritic cells (DC). This leads to the induction of mucosal T cell response that is important for the production of secretory IgA (SIgA), the chief antibody at mucosal surfaces. Previous studies in the laboratory have shown that exogenous SIgA administrated into mouse intestinal loop binds specifically to M cells, enter into PP, and is eventually internalized by DC. The aim of this work is to understand the biological significance of the SIgA uptake by PP DC and its physiological relevance for mucosal homeostasis. As a first step, we have shown by using an optimized MACS method that, in addition to the CD11c+/CD11b+ (myeloid DC) and CD11c+/CD8+ (lymphoid DC) subtypes, mouse PP contain a novel DC subtype exhibiting both CD11c and CD19 markers. By using a combination of MACS isolation and confocal microscopy, we have demonstrated that in contrast to the lymphoid DC which do not interact with SIgA, the myeloid DC internalize SIgA, while the CD19+ subtype binds SIgA on its surface. Neither spleen DC, nor bronchial-lymph node DC, nor inguinal lymph node DC exhibit such a binding specificity. To test whether SIgA could deliver antigens to PP DC in vivo, we administered SIgA-Shigella flexneri immune complexes into mouse intestinal loop containing a PP. We found that (i) SIgA-Shigella flexneri immune complexes enter the PP and are internalized by sub-epithelial dome PP DC, in contrast to Shigella flexneri alone that does not penetrate the intestinal epithelia in mice, (ii) immune complexes migrate to the draining mesenteric lymph node, (iii) Shigella flexneri carried via SIgA do not induce intestinal tissue destruction. Our results suggest that in addition to immune exclusion, SIgA transports antigens back to the PP under non-inflammatory conditions.

Biogeochemical evolution of a marine shore tailings deposit during bioremediation

Summary : Mining activities produce enormous amounts of waste material known as tailings which are composed of fine to medium size particles. These tailings often contain sulfides, which oxidation can lead to acid and metal contamination of water; therefore they need to be remediated. In this work a tailings bioremediation approach was investigated by an interdisciplinary study including geochemistry, mineralogy and microbiology. The aim of the work was to study the effect of the implementation of wetland above oxidizing tailings on the hydrogeology and the biogeochemical element cycles, and to assess the system evolution over time. To reach these goals, biogeochemical processes occurring in a marine shore tailings deposit were investigated. The studied tailings deposit is located at the Bahìa de Ite, Pacific Ocean, southern Peru, where between 1940 and 1996 the tailings were discharged from the two porphyry copper mines Cuajone and Toquepala. After the end of deposition, a remediation approach was initiated in 1997 with a wetland implementation above the oxidizing tailings. Around 90% of the tailings deposits (total 16 km2) were thus remediated, except the central delta area and some areas close to the shoreline. The multi-stable isotope study showed that the tailings were saturated with fresh water in spite of the marine setting, due to the high hydraulic gradient resulting from the wetland implementation. Submarine groundwater discharge (SGD) was the major source of SO4 2-, C1-, Na+, Fe2+, and Mn2+ input into the tailings at the original shelf-seawater interface. The geochemical study (aquatic geochemistry and X-Ray diffraction (XRD) and sequential extractions from the solid fraction) showed that iron and sulfur oxidation were the main processes in the non-remediated tailings, which showed a top a low-pH oxidation zone with strong accumulation of efflorescent salts at the surface due to capillary upward transport of heavy metals (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co, and Ni) in the arid climate. The study showed also that the implementation of the wetland resulted in very low concentrations of heavy metals in solution (mainly under the detection limit) due to the near neutral pH and more reducing conditions (100-150 mV). The heavy metals, which were taken from solution, precipitated as hydroxides and sulfides or were bound to organic matter. The bacterial community composition analysis by Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) and cloning and sequencing of 16S rRNA genes combined with a detailed statistical analysis revealed a high correlation between the bacterial distribution and the geochemical variables. Acidophilic autotrophic oxidizing bacteria were dominating the oxidizing tailings, whereas neutrophilic and heterotrophic reducing bacteria were driving the biogeochemical processes in the remediated tailings below the wetland. At the subsurface of the remediated tailings, an iron cycling was highlighted with oxidation and reduction processes due to micro-aerophilic niches provided by the plant rhizosphere in this overall reducing environment. The in situ bioremediation experiment showed that the main parameter to take into account for the effectiveness was the water table and chemistry which controls the system. The constructed remediation cells were more efficient and rapid in metal removal when saturation conditions were available. This study showed that the bioremediation by wetland implementation could be an effective and rapid treatment for some sulfidic mine tailings deposits. However, the water saturation of the tailings has to be managed on a long-term basis in order to guarantee stability. Résumé : L'activité minière produit d'énormes quantités de déchets géologiques connus sous le nom de « tailings » composées de particules de taille fine à moyenne. Ces déchets contiennent souvent des sulfures dont l'oxydation conduit à la formation d'effluents acides contaminés en métaux, d'où la nécessité d'effectuer une remédiation des sites de stockage concernés. Le but de ce travail est dans un premier temps d'étudier l'effet de la bio-remédiation d'un dépôt de tailings oxydés sur l'hydrogéologie du système et les cycles biogéochimiques des éléments et en second lieu, d'évaluer l'évolution du processus de remédiation dans le temps. Le site étudié dans ce travail est situé dans la Bahía de Ite, au sud du Pérou, au bord de l'Océan Pacifique. Les déchets miniers en question sont déposés dans un environnement marin. De 1940 à 1996, les déchets de deux mines de porphyre cuprifère - Cuajone et Toquepala - ont été acheminés sur le site via la rivière Locumba. En 1997, une première remédiation a été initiée avec la construction d'une zone humide sur les tailings. Depuis, environ 90% de la surface du dépôt (16 km2) a été traité, les parties restantes étant la zone centrale du delta du Locumba et certaines zones proches de la plage. Malgré la proximité de l'océan, les études isotopiques menées dans le cadre de ce travail ont montré que les tailings étaient saturés en eau douce. Cette saturation est due à la pression hydraulique résultant de la mise en place des zones humides. Un écoulement d'eau souterrain sous-marin a été à détecté à l'interface entre les résidus et l'ancien fond marin. En raison de la géologie locale, il constitue une source d'entrée de SO4 2-, Cl-, Na+, FeZ+, et Mn2+ dans le système. L'analyse de la géochimie aquatique, la Diffraction aux Rayons X (XRD) et l'extraction séquentielle ont montré que l'oxydation du fer et .des sulfures est le principal processus se produisant dans les déchets non remédiés. Ceci a entraîné le développement d'une zone d'oxydation à pH bas induisant une forte accumulation des sels efflorescents, conséquence de la migration capillaire des métaux lourds (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co et Ni) de la solution vers la surface dans ce climat aride. Cette étude a montré également que la construction de la zone humide a eu comme résultats une précipitation des métaux dans des phases minérales en raison du pH neutre et des conditions réductrices (100-150mV). Les métaux lourds ont précipité sous la forme d'hydroxydes et de sulfures ou sont adsorbés à la matière organique. L'analyse de la composition de la communauté bactérienne à l'aide la technique T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) et par le clonage/séquençage des gènes de l'ARNr 16S a été combinée à une statistique détaillée. Cette dernière a révélé une forte corrélation entre la distribution de bactéries spécifiques et la géochimie : Les bactéries autotrophes acidophiles dominent dans les déchets oxydés non remédiés, tandis que des bactéries hétérotrophes neutrophiles ont mené les processus microbiens dans les déchets remédiés sous la zone humide. Sous la surface de la zone humide, nos analyses ont également mis en évidence un cycle du fer par des processus d'oxydoréduction rendus possibles par la présence de niches micro-aérées par la rhizosphère dans cet environnement réducteur. L'expérience de bio-remédiation in situ a montré que les paramètres clés qui contrôlent l'efficacité du traitement sont le niveau de la nappe aquifère et la chimie de l'eau. Les cellules de remédiation se sont montrées plus efficaces et plus rapides lorsque le système a pu être saturé en eau. Finalement, cette étude a montré que la bio-remédiation de déchets miniers par la construction de zones humides est un moyen de traitement efficace, rapide et peu coûteux. Cependant, la saturation en eau du système doit être gérée sur le long terme afin de garantir la stabilité de l'ensemble du système.

Exposition à des particules virales aéroportées potentiellement pathogènes dans des abattoirs et dans la filière du tri des déchets

La caractérisation de l'exposition à des bioaérosols dans différents secteurs de travail a, durant de nombreuses années, été documentée principalement pour les icroorganismes cultivables tels que les bactéries et les champignons. Puis, le développement des méthodes moléculaires d'analyse de l'ADN par amplification de séquences spécifiques ou universelles par PCR(1) a permis une caractérisation beaucoup plus réaliste des expositions en tenant compte, non seulement des bactéries et champignons cultivables, mais aussi des non-cultivables qui représentent l'immense majorité des icroorganismes totaux présents dans l'air. Ainsi, depuis une dizaine d'années, nos connaissances sur les communautés bactériennes et fongiques aéroportées se sont élargies (1). Aujourd'hui, une nouvelle avancée est faite, grâce à la métagénomique(2) qui permet d'identifier (après ou non amplification de l'ADN total) une grande part des séquences d'ADN présentes dans un environnement (2). L'utilisation de la PCR(1) et/ou de la métagénomique(2), dans le domaine de la santé au travail, s'est jusqu'à présent limitée à la caractérisation de l'exposition aux bactéries et champignons laissant de côté les virus. Cependant, il s'avère que beaucoup de virus pathogènes se transmettent par voie aérienne et qu'un grand nombre de travailleurs manipulent des matières pouvant être contaminées. C'est le cas des employés des abattoirs, potentiellement exposés à des virus zoonotiques(3) et des employés d'usines de tri des déchets ménagers solides. Cette note décrit deux études qui ont évalué, pour la première fois dans ces secteurs de travail, l'exposition professionnelle à des particules virales, la première en utilisant la métagénomique(2) et la seconde en utilisant les méthodes PCR(1) classique.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.