Identification and quantification techniques in mass spectrometry-based proteomics

Résumé La protéomique basée sur la spectrométrie de masse est l'étude du proteome l'ensemble des protéines exprimées au sein d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme - par cette technique. Les protéines sont coupées à l'aide d'enzymes en plus petits morceaux -les peptides -, et, séparées par différentes techniques. Les différentes fractions contenant quelques centaines de peptides sont ensuite analysées dans un spectromètre de masse. La masse des peptides est enregistrée et chaque peptide est séquentiellement fragmenté pour en obtenir sa séquence. L'information de masse et séquence est ensuite comparée à une base de données de protéines afin d'identifier la protéine d'origine. Dans une première partie, la thèse décrit le développement de méthodes d'identification. Elle montre l'importance de l'enrichissement de protéines comme moyen d'accès à des protéines de moyenne à faible abondance dans le lait humain. Elle utilise des injections répétées pour augmenter la couverture en protéines et la confiance dans l'identification. L'impacte de nouvelle version de base de données sur la liste des protéines identifiées est aussi démontré. De plus, elle utilise avec succès la spectrométrie de masse comme alternative aux anticorps, pour valider la présence de 34 constructions de protéines pathogéniques du staphylocoque doré exprimées dans une souche de lactocoque. Dans une deuxième partie, la thèse décrit le développement de méthodes de quantification. Elle expose de nouvelles approches de marquage des terminus des protéines aux isotopes stables et décrit la première méthode de marquage des groupements carboxyliques au niveau protéine à l'aide de réactifs composé de carbone 13. De plus, une nouvelle méthode, appelée ANIBAL, marquant tous les groupements amines et carboxyliques au niveau de la protéine, est exposée. Summary Mass spectrometry-based proteomics is the study of the proteome -the set of all expressed proteins in a cell, tissue or organism -using mass spectrometry. Proteins are cut into smaller pieces - peptides - using proteolytic enzymes and separated using different separation techniques. The different fractions containing several hundreds of peptides are than analyzed by mass spectrometry. The mass of the peptides entering the instrument are recorded and each peptide is sequentially fragmented to obtain its amino acid sequence. Each peptide sequence with its corresponding mass is then searched against a protein database to identify the protein to which it belongs. This thesis presents new method developments in this field. In a first part, the thesis describes development of identification methods. It shows the importance of protein enrichment methods to gain access to medium-to-low abundant proteins in a human milk sample. It uses repeated injection to increase protein coverage and confidence in identification and demonstrates the impact of new database releases on protein identification lists. In addition, it successfully uses mass spectrometry as an alternative to antibody-based assays to validate the presence of 34 different recombinant constructs of Staphylococcus aureus pathogenic proteins expressed in a Lactococcus lactis strain. In a second part, development of quantification methods is described. It shows new stable isotope labeling approaches based on N- and C-terminus labeling of proteins and describes the first method of labeling of carboxylic groups at the protein level using 13C stable isotopes. In addition, a new quantitative approach called ANIBAL is explained that labels all amino and carboxylic groups at the protein level.

Determination of plasma levels of citalopram and its demethylated and deaminated metabolites by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry.

Sensitive and specific methods based on gas chromatography (GC) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for the determination of levels of citalopram, desmethylcitalopram and didesmethylcitalopram in the plasma of patients treated with citalopram are presented, as well as a GC-MS procedure for the assay of the citalopram propionic acid derivative. After addition of a separate internal standard for each drug, liquid-solvent extraction is used to separate the basic compounds from the acid compounds. The demethylated amines are derivatized with trifluoroacetic anhydride, and the acid metabolite with methyl iodide. GC-MS is performed in the electron impact mode, as mass spectrometry by the (positive-ion) chemical ionization mode (methane and ammonia) appeared to be unsuitable. The limits of quantification were 1 ng/ml for citalopram and desmethylcitalopram and 2 ng/ml for the other metabolites. The correlation coefficients for the calibration curves (range 10-500 ng/ml) were > or = 0.999 for all compounds, whether determined by GC or GC-MS.

Pollution stress on aquatic microbial communities

Thousands of chemical compounds enter the natural environment but many have unknown effects and consequences, in particular at low concentrations. This thesis work contributes to our understanding of pollution effects by using bacteria as test organisms. Bacteria are important for this question because some of them degrade and transform pollutants into less harmful compounds, but secondly because they themselves can be inhibited in their reproduction by exposure to toxic compounds. When inhibitory effects occur this may change the composition of the microbial com¬munity in the long run, leading to altered or diminished ecosystem services by those communities. As a result chemicals of anthropogenic origin may accumulate and per¬sist in the environment, and finally, affect higher organisms as well. In addition to acquiring basic understanding of pollutant effects at low concentrations on bacterial communities an applied goal of this thesis work was to develop bacteria-based tests to screen new organic chemicals for toxicity and biodégradation. In the first part of this work we developed a flow cytometry-based assay on SYT09 plus ethidium-bromide or propidium-iodide stained cells of Pseudomonas ûuorescens exposed or not to a variety of pollutants under oligotrophic growth conditions. Flow cytometry (FC) allows fast and accurate counting of bacterial cells under simul¬taneous assessment of their physiological state, in particular in combination with different fluorescent dyes. Here we employed FC and fluorescent dyes to monitor the effect that pollutants may exert on Pseudomonas ûuorescens SV3. First we designed an oligotrophic growth test, which enabled us to follow population growth at low densities (104 - 10 7 cells per ml) using 0.1 mM sodium acetate as carbon source. Cells in the oligotrophic milieu were then exposed or not to a variety of common pollutants, such as 2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalene (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), mercury chloride (HgCl2) or benzene, in different dosages. Exposed culture samples were stained with SYT09 (green fluorescent dye binding nucleic acids, generally staining all cells) in combination with propidium iodide (PI) or ethidium bromide (EB), both dyes being membrane integrity indicators. We ob- served that most of the tested compounds decreased population growth in a dosage- dependent manner. SYT09/PI or SYT09/EB staining then revealed that chemical exposure led to arisal of subpopulations of live and injured or dead cells. By modeling population growth on the total cell numbers in population or only the subpopulation of live cells we inferred that even in stressed populations live cells multiply at rates no different to unexposed controls. The net decrease in population growth would thus be a consequence of more and more cells being not able to multiply at all, rather than all cells multiplying at slower rates. In addition, the proportion of injured cells correlated to the compound dosage. We concluded that the oligotrophic test may be useful to asses toxicity of unknown chemicals on a variety of model bacteria. Mul¬tiple tests can be run in parallel and effects are rapidly measured within a period of 8 hours. Interestingly, in the same exposure tests with P. fluorescens SV3 we observed that some chemicals which did not lead to a reduction of net population growth rates did cause measurable effects on live cells. This was mainly observed in cells within the live subpopulation as an increase of the EB fluorescence signal. We showed that SYT09/EB is a more useful combination of dyes than SYT09/PI because PI fluorescence tend to increase only when cells are effectively dead, but not so much in live cells (less then twofold). In contrast, EB geometric mean fluorescence in live cells increased up to eightfold after exposure to toxic compounds. All compounds even at the lowest concentration caused a measurable increase in EB geometric mean fluorescence especially after 2 h incubation time. This effect was found to be transient for cells exposed to 2CBP and 4CP, but chronic for cells incubated with TD and NAH (ultimately leading to cell death). In order to understand the mechanism underlying the observed effects we used known membrane or energy uncouplers. The pattern of EB signal increase in chemical-exposed populations resembled mostly that of EDTA, although EB fluorescence in EDTA-treated or pasteurized cells was even higher than after exposure to the four test chemicals. We conclude that the ability of cells to efflux EB under equilibrium conditions is an appropriate measure for the potential of a chemical to exert toxicity. Since most bacterial species possess efflux systems for EB that all require cellular energy, our test should be more widely relevant to infer toxicity effects of chemical exposure on the physiological status of the bacterial cell. To better understand the effect of toxicant exposure on efflux defense systems, we studied 2-hydroxybiphenyl toxicity to Pseudomonas azeiaica HBP1. We showed that 2-HBP exerts toxicity even to P. azelaica HBP1, but only at concentrations higher than 0.5 mM. Above this concentration transient loss of membrane polarization and integrity occurred, which we conclude from staining of growing cells with fluorescent dyes. Cells finally recover and resume growth on 2HBP. The high resistance of P. azelaica HBP1 to 2-HBP was found to be the result of an efficient MexABOprM- type efflux pump system counteracting passive influx of this compound into the membrane and cellular interior. Mutants with disrupted mexA, mexB and oprM genes did no longer grow on 2-HBP at concentrations above 100 μΜ, whereas below this concentration we found 2-HBP-concentration dependent decrease of growth rate. The MexAB-OprM system in P. azeiaica HBP1 is indeed an efflux pump for ethidium bromide as well. By introducing gfp reporter fusions responsive to intracellular 2- HBP concentrations into HBP1 wild-type or the mutants we demonstrated that 2HBP enters into the cells in a similar way. In contrast, the reporter system in the wild-type cells does not react to 2-HBP at an outside concentration of 2.4 μΜ, whereas in mutant cells it does. This suggests that wild-type cells pump 2-HBP to the outside very effectively preventing accumulation of 2-HBP. 2HBP metabolism, therefore, is not efficient enough to lower the intracellular concentration and prevent toxicity. We conclude that P. azelaica HBP1 resistance to 2-HBP is mainly due to an efficient efflux system and that 2HBP in high concentrations exerts narcotic effects on the bacterial membrane. In the part of this thesis, we investigated the possibilities of bacteria to degrade pollutants at low concentrations (1 mg per L and below). As test components we used 2-hydroxybiphenyl, antibiotics and a variety of fragrances, many of which are known to be difficult to biodegrade. By using accurate counting of low numbers of bacterial cells we could demonstrate that specific growth on these compounds is possible. We demonstrated the accuracy of FC counting at low cell numbers (down to 103 bacterial cells per ml). Then we tested whether bacterial population growth could be specifically monitored at the expense of low substrate concentrations, us¬ing P. azelaica HBP1. A perfect relationship was found between growth rate, yield and 2-HBP concentrations in the range of 0.1 up to 5 mg per L. Mixing P. azelaica within sludge, however, suggested that growth yields in a mixed community can be much lower than in pure culture, perhaps because of loss of metabolic intermediates. We then isolated new strains from activated sludge using 2-HBP or antibiotics (Nal, AMP, SMX) at low concentrations (0.1-1 mg per L) as sole carbon and energy sub¬strate and PAO microdishes. The purified strains were then examined for growth on their respective substrate, which interestingly, showed that all strains can not with¬stand higher than 1 or 10 mg per L concentrations of target substrate. Thus, bacteria must exist that contribute to compound degradation at low pollutant concentrations but are inhibited at higher concentrations. Finally we tested whether specific biomass growth (in number of cells) at the expense of pollutants can also be detected with communities as starting material. Hereto, we focused on a number of fragrance chemicals and measured community biomass increase by flow cytometry cell counting on two distinct starter communities: (i) diluted Lake Geneva water, and dilute activated sludge from a wastewater treatment plant. We observed that most of the test compounds indeed resulted in significant biomass increase in the starter community compared to a no-carbon added control, but activated sludge and lake Geneva water strongly differed (almost mutually ex¬clusive) in their capacity to degrade the test chemicals. In two cases for activated sludge the same type of microbial community developed upon compound exposure, as concluded from transcription fragment length polymorphism analysis on community purified and PCR amplified 16S rRNA gene fragments. To properly test compound biodegradability it is thus important to use starter communities of different origin. We conclude that FC counting can be a valuable tool to screen chemicals for their biodegradability and toxicity. - Des milliers de produits chimiques sont libérés dans l'environnement mais beaucoup ont des effets inconnus, en particulier à basses concentrations. Ce travail de thèse contribue à notre comprehension des effets de la pollution en utilisant des bacteries comme des organismes-tests. Les bacteries sont importantes pour etudier cette ques¬tion car certaines d'entre elles peuvent degrader ou transformer les polluants, mais également parce qu'elles-mmes peuvent tre inhibees dans leur reproduction après avoit ete exposees à ces composes toxiques. Quand des effets inhibiteurs ont lieu, la composition de la communauté microbienne peut tre changee à long terme, ce qui mène à une reduction du service d'ecosystème offert par ces communautés. En consequence, après leur liberation dans l'environnement, les produits chimiques d'origine anthropogenique peuvent soit s'y accumuler et per¬sister, exerant ainsi des effets encore inconnus sur les organismes vivants. En plus d'acquérir des connaissances de base sur les effets des polluants à basses concentra¬tions sur les communautés microbiennes, un but applique de cette thèse était de développer des tests bases sur les bacteries afin d'identifier de nouveau composes pour leur toxicité ou leur biodégradation. Dans la première partie de ce travail, nous avons developpe un test base sur la cytometrie de flux (FC) sur des cellules de Pseudomonas fluorescens colorees par du bromure d'ethidium ou de l'iodure de propidium et exposees ou non à une palette de polluants sous des conditions de croissance oligotrophique. La cytometrie de flux est une technique qui connaît de nombreuses applications dans la microbiologie environ¬nementale. Cela est principalement du au fait qu'elle permet un comptage rapide et precis ainsi que l'évaluation de l'état physiologique, en particulier lorsqu'elle est combinée h des colorations fluorescentes. Ici, nous avons utilise la technique FC et des colorants fluorescents afin de mesurer l'effet que peuvent exercer certains pollu¬ants sur Pseudomonas ûuorescens SV3 . D'abord nous avons conu des tests oligo- trophiques qui nous permettent de suivre la croissance complète de cellules en culture h des densites faibles (104 -10 7 cellules par ml), sur de l'acetate de sodium à 0.1 mM, en presence ou absence de produits chimiques (2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalène (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), chlorure de mercure(II) (HgCl2)) à différentes concentrations. Afin de montrer le devenir des bacteries tant au niveau de la cellule individuelle que celui de la population globale, après exposition à des series de composes chimiques, nous avons compte les cellules colorees avec du SYT09 (col¬orant fluorescent vert des acides nucléiques pour la discrimination des cellules par rapport au bruit de fond) en combinaison avec l'iodure de propidium (PI) ou le bromure d'ethidium (EB), indicateurs de l'intégrité de la membrane cellulaire avec FC. Nous avons observe que de nombreux composes testes avaient un effet sur la croissance bacterienne, resultant en une baisse du taux de reproduction de la pop¬ulation. En outre, la double coloration que nous avons utilisee dans cette etude SYT09/PI ou SYT09/EB a montre que les produits chimiques testes induisaient une reponse heterogène des cellules dans la population, divisant celle-ci en sous- populations "saine", "endommagee" ou "morte". Les nombres de cellules à partir du comptage et de la proportion de celles "saines" et "endommagees/mortes" ont ensuite ete utilises pour modeliser la croissance de P. ûuorescens SV3 exposee aux produits chimiques. La reduction nette dans la croissance de population est une consequence du fait que de plus en plus de cellules sont incapables de se reproduire, plutt que du fait d'une croissance plus lente de l'ensemble de la population. De plus, la proportion de cellules endommagees est correllee au dosage du compose chimique. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que le test oligotrophique que nous avons developpe peut tre utilise pour l'évaluation de la toxicité de produits chimiques sur différents modèles bacteriens. Des tests multiples peuvent tre lances en parallèle et les effets sont mesures en l'espace de huit heures. Par ailleurs, nous en déduisons que les produits chimiques exercént un effet sur la croissance des cellules de P. ûuorescens SV3, qui est heterogène parmi les cellules dans la population et depend du produit chimique. Il est intéressant de noter que dans les mmes tests d'exposition avec P. ûuorescens SV3, nous avons observe que certains composes qui n'ont pas conduit à une reduction du taux de la croissance nette de la population, ont cause des effets mesurables sur les cellule saines. Ceci a ete essentiellement observe dans la portion "saine" des cellules en tant qu'augmentation du signal de la fluorescence de 1ΈΒ. D'abord nous avons montre que SYT09/EB était une com¬binaison de colorants plus utile que celle de SYT09/PI parce que la fluorescence du PI a tendance à augmenter uniquement lorsque les cellules sont effectivement mortes, et non pas dans les cellules saines (moins de deux fois plus). Par opposi¬tion, la fluorescence moyenne de l'EB dans les cellules saines augmente jusqu'à huit fois plus après exposition aux composes toxiques. Tous les composes, mme aux plus basses concentrations, induisent une augmentation mesurable de la fluorescence moy¬enne de 1ΈΒ, plus particulièrement après deux heures d'incubation. Cet effet s'est revele tre transitoire pour les cellules exposees aux 2CNP et 4CP, mais est chro¬nique pour les cellules incubees avec le TD et le NAH (entranant la mort cellulaire). Afin de comprendre les mécanismes qui sous-tendent les effets observes, nous avons utilise des decoupleurs d'energie ou de membrane. L'augmentation du signal EB dans les populations causee par des produits chimiques ressemblait à celle exerce par le chelateur des ions divalents EDTA. Cependant, les intensités du signal EB des cellules exposees aux produits chimiques testees n'ont jamais atteint les valeurs des cellules traitees avec l'EDTA ou pasteurises. Nous en concluons que le test oli- gotrophique utilisant la coloration (SYT09/)EB des cellules exposees ou non à un produit chimique est utile afin d'evaluer l'effet toxique exerce par les polluants sur la physiologie bacterienne. Afin de mieux comprendre la reaction d'un système de defense par pompe à efflux après exposition à une toxine, nous avons étudié la toxicité du 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) sur Pseudomonas azeiaica HBP1. Nous avons montre que le 2-HBP exerce une toxicité mme sur HBP1, mais uniquement à des concentrations supérieures à 0.5 mM. Au-dessus de cette concentration, des pertes transitoires d'intégrité et de polarization membranaire ont lieu, comme cela nous a ete montre par coloration des cellules en croissance. Les cellules sont finalement capables de se rétablir et de reprendre leur croissance sur 2-HBP. La forte resistance de P. azeiaica HBP1 h 2-HBP physiologie bacterienne s'est revele tre le résultat d'un système de pompe h efflux de type MexABOprM qui contre-balance l'influx passif de ce compose h travers la membrane. Nous avons montre, en construisant des mutants avec des insertions dans les gènes mexA, mexB and oprM et des fusions avec le gène rapporteur gfp, que l'altération de n'importe quelle partie du système d'efflux conduisait à accroître l'accumulation de 2-HBP dans la cellule, en comparaison avec la souche sauvage HBP1, provoquant une diminution de la resistance au 2-HBP ainsi qu'une baisse du taux de reproduction des cellules. Des systèmes d'efflux similaires sont répandus chez de nombreuses espèces bactériennes. Ils seraient responsables de la resistance aux produits chimiques tels que les colorants fluorescents (bromure d'ethidium) et des antibiotiques. Nous concluons que la resistance de P. azelaica HBP1 à 2-HBP est principalement due à un système d'efflux efficace et que 2-HBP, à des concentrations elevees, exerce un effet deletère sur la membrane bacterienne. En se basant sur le comptage des cellules avec la FC, nous avons developpe ensuite une methode pour evaluer la biodegradabilite de polluants tels que le 2-HBP ainsi que les antibiotiques (acide nalidixique (Nal), ampicilline (AMP) ou sulfamethoxazole (SMX)) à de faibles concentrations lmg par L et moins), par le suivi de la croissance spécifique sur le compose de cultures microbiennes pures et mixtes. En utilisant un comptage precis de faibles quantités de cellules nous avons pu demontrer que la croissance spécifique sur ces composes est possible. Nous avons pu illustrer la precision du comptage par cytometrie de flux à faible quantité de cellules (jusqu'à 10 3 cellules par ml). Ensuite, nous avons teste s'il était possible de suivre dynamiquement la croissance de la population de cellules sur faibles concentrations de substrats, en utilisant P. azelaica HBP1. Une relation parfaite a ete trouvee entre le taux de croissance, le rendement et les concentrations de 2-HBP (entre 0.1 et 5 mg par L). En mélangeant HBP1 à de la boue active, nous avons pu montrer que le rendement en communauté mixtes pouvait tre bien inférieur qu'en culture pure. Ceci étant peut tre le résultat d'une perte d'intermédiaires métaboliques. Nous avons ensuite isole de nouvelles souches à partir de la boue active en utilisant le 2-HBP ou des antibiotiques (Nal, AMP, SMX) h basses concentrations (0.1-1 mg par L) comme seules sources de carbone et d'energie. En combinaison avec ceci, nous avons également utilise des microplaques PAO. Les souches purifiees ont ensuite ete examinees pour leurs croissances sur leurs substrats respectifs. De faon intéressante, toutes ces souches ont montre qu'elles ne pouvaient pas survivre à des concentrations de substrats supérieures à 1 ou 10 mg par L. Ainsi, il existe des bacteries qui contribuent à la degradation de composes à basses concentrations de polluant mais sont inhibes lorsque ces concentrations deviennent plus hautes. Finalement, nous avons cherche à savoir s'il est possible de detecter une croissance spécifique à une biomasse au depend d'un polluant, en partant d'une communauté microbienne. Ainsi, nous nous sommes concentre sur certains composes et avons mesure l'augmentation de la biomasse d'une communauté grce à la cytometrie de flux. Nous avons compte deux communautés de depart distinctes: (i) une dilution d'eau du Lac Léman, et une dilution de boue active d'une station d'épuration. Nous avons observe que la plupart des composes testes ont entrane une augmentation de la biomasse de depart par rapport au control sans addition de source de carbone. Néanmoins, les échantillons du lac Léman et de la station d'épuration différaient largement (s'excluant mutuellement l'un l'autre) dans leur capacité à degrader les composes chimiques. Dans deux cas provenant de la station d'épuration, le mme type de communauté microbienne s'est developpe après exposition aux composes, comme l'a démontré l'analyse TRFLP sur les fragments d'ARN 16S purifie de la communauté et amplifie par PCR. Afin de tester correctement la biodegradabilite d'un compose, il est donc important d'utiliser des communautés de depart de différentes origines Nous en concluons que le comptage par cytometrie de flux peut tre un outil de grande utilité pour mettre en valeur la biodegradabillite et la toxicité des composes chimiques.

Functional diversity of CD8+ T-cell subsets in chronic infection

Certains pathogènes tels que le virus de l'hépatite C ainsi que le virus de l'immunodéficience humaine sont capables de détourner les mécanismes de défense du système immunitaire adaptatif afin d'établir des infections chroniques chez l'homme. La souche clone-13 du virus de la chorioméningite lymphocytaire est utilisée comme modèle d'études d'infection virale chronique chez la souris. Les raisons qui expliqueraient la persistance de certains virus ne sont pas encore bien définies. Toutefois, il a été montré qu'une exposition prolongée à un environnement inflammatoire ainsi que la présence prolongée de l'antigène sont des facteurs qui vont déclencher un procédé de différentiation particulier des lymphocytes T CD8+. Ces cellules sur-expriment alors des récepteurs inhibiteurs tels que PD-1 tandis que leur capacité à produire des cytokines diminue. Ce procédé de différentiation est appelé « exhaustion » et serait à l'origine de la génération de réponses lymphocytaires non ou peu fonctionnelles entraînant de ce fait la persistance de l'infection. Néanmoins, il a également été démontré que ces lymphocytes maintiennent des fonctions effectrices et qu'ils permettent de limiter la réplication du virus. Afin d'étudier la fonction effectrice résiduelle de ces lymphocytes T, nous avons transféré des cellules provenant de souris infectées chroniquement dans des souris receveuses naïves qui ont à leur tour été infectées avec le virus. Grâce à ces expériences, nous avons démontré que les cellules transférées contiennent des cellules qui sont capables de i) re-proliférer, ii) de protéger les souris contre une infection virale, et de iii) survivre en l'absence d'antigène. Nous avons remarqué que les cellules stimulées de façon chronique maintiennent le même phénotype lorsqu'elles sont transférées dans des souris naïves soumises à une infection virale aiguë. Nous avons de ce fait conclu que les cellules stimulées chroniquement contiennent une sous-population de cellules qui comporte des attributs de cellules T mémoire. D'autre part, nous avons pu identifier le facteur de transcription Tcf-1 comme l'élément essential pour la génération des cellules T ressemblant à des cellules mémoires. D'autre part, nous avons étudié l'impact du niveau de stimulation via le récepteur des cellules T (TCR) sur le phénotype adopté par les lymphocytes T au cours d'une infection chronique. Dans ce but, nous avons généré des souches de virus recombinants qui expriment un épitope modifié de manière à réduire le niveau de stimulation via le TCR. D'autre part, nous avons utilisé un mélange de deux souches virales de manière à moduler spécifiquement la quantité d'un épitope tout en conservant la même charge virale. Nous avons montré que la quantité d'antigène avait plus d'influence sur le phénotype des lymphocytes T que la force d'interaction entre le complexe peptide-CMH et le TCR. De plus, l'apparition de ce phénotype ne semble pas avoir d'impact sur la prolifération des cellules en réponse à une infection primaire ou secondaire. Ainsi, nous proposons un modèle par lequel le procédé d'« exhaustion » des cellules T correspond à une différentiation cellulaire particulière qui est indépendante de la capacité de prolifération des cellules. De manière générale, ces découvertes apportent de nouvelles connaissances sur les sous-catégories de lymphocytes T CD8+ qui sont générés pendant une infection virale chronique. Nous pensons que la réponse effectrice du système immunitaire est maintenue pendant de longues périodes grâce à la présence de cellules par partagent certaines caractéristiques avec des cellules mémoires. L'étude approfondie de ces cellules peut avoir des implications importantes sur l'optimisation des stratégies utilisant l'immunothérapie pour combattre les infections chroniques et cancers.

Evaluation of the immune response to infection with metastatic and non-metastatic "Leishmania guyanensis" parasites

ABSTRACT : Les infections par le parasite Leishmania guyanensis se caractérisent par une dissémination depuis le site initial d'infection jusqu'aux tissus naso-pharyngés, responsable de la Leishmaniose à lésions secondaires muco-cutanées (LMC). Les lésions des patients atteints de LMC montrent une massive infiltration de cellules immunitaires, une réponse immunitaire élevée et la présence de parasites (bien qu'en très faible quantité). La LMC engendre une augmentation de l'expression de TNFa ainsi qu'un défaut dans le contrôle de la réponse immunitaire caractérisé par une absence de réponse à l'IL 10. La réponse immunitaire de l'hôte ainsi que la virulence du parasite sont deux facteurs reconnus pour le contrôle de l'infection. Le mécanisme de la pathogenèse de la LMC restent grandement incompris, surtout le mécanisme de dissémination de l'infection du site d'inoculation jusqu'aux sites secondaires d'infection (métastases) ainsi que les détails de la réponse de l'hôte contre le pathogène. Dans un modèle d'infection d' hamsters avec des parasites du Nouveau Monde, la classification des parasites Leishmania se fait en fonction de leur capacité à développer des métastases. Ce modéle d'infection a permis de caractériser différentes souches de parasites selon la classification de l'Organisation Mondiale de la Sante (OMS) tel que la souche de référence W>É-II/BR/78/M5313 qui est reconnue comme hautement métastatique alors que ces clones dérivés de M5313 montrent de grandes variations quand a leur capacité à créer des métastases. Les clones 13 et 21 sont métastatiques (M+) alors que les clones 3 et 17 sont nonmétastatiques (NI-). Les objectifs de cette thèse ont été d'étudier le rôle de la réponse immunitaire innée des macrophages après infection in vitro avec différents clones métastatiques et non-métastatiques du parasite L. guyanensis, ainsi que d'étudier la réponse immunitaire générée suite à une infection in vivo par les clones M+ et M- de L. guyanensis dans un modèle marin. L'analyse de la .réponse immunitaire des macrophages in vitro montrent qu'il y aune augmentation significative de leur statut d'activation après infection par des parasites M+ indiquée par la modulation des marqueurs d'activation de surface CD80, CD86 et CD40, ainsi que une augmentation significative de CXCL 10, CCLS, IL6 et TNFa au niveau transcription de l'ARNm et au niveau de la protéine. Cette phénomène d'activation a été observée chez les deux souches de souris C57BL/6 et BALB/c. L'utilisation d'un inhibiteur d'entrée des parasites (Cytochalsin D) ou d'un inhibiteur des fonctions endosomales (Chloroquine) diminue de manière significative la réponse des macrophages aux parasites M+. L'utilisation de macrophages déficients en TLR, MyD88, et TRIF a démontré que la réponse générée après infection par les parasites M+ était dépendante de la voie de signalisation de TRIF et TLR3. Lors d'infection in vivo par des parasites M5313, au moins 50% des souris BALB/c présentent un phénotype sensible caractérisé par des lésions non-nécrotiques qui ne guérissent pas, persistent plus de 13 semaines après infection et contiennent un nombre considérable de parasites. Ces souris développent une réponse immunitaire de type T helper 2 (Th2) avec un niveau élevé d'IL-4 et d'IL-10. Les autres souris ont un phénotype non-sensible, les souris développant peu ou pas de lésion, avec peu de parasites et une réponse immunitaire diminuée, caractérisée par un niveau faible d'IFNy, d'IL4 et d'IL10. De plus, les souris BALB/c infectées par un parasite L. guyanensis isolé à partir des lésions muco-cutanées d'un patient humain atteint de LMC ont démontrés un phénotype similaire aux souris infectées par la souche M5313 avec 50% des souris développant des lésions persistantes, alors qu'un parasite dérivé des lésions cutanées humains n'a montré qu'une faible sensibilité avec une lésion transitoire qui finit par guérir. Nous avons montré que la sensibilité de ces souris BALB/c dépend de l'IL-4 et de l'IL-10 car les souris IL-10-/sur fond génétique BALB/c ainsi que les souris BALB/c traitée avec de l'anti-IL4 étaient capables de contrôler l'infection par M5313. Les souris C57BL/6 sont résistantes à l'infection par le parasite M5313. Elles développent une lésion transitoire qui guérit 9 semaines après infection. Ces souris résistantes ont un très faible taux de parasites au site d'infection et développent une réponse immunitaire de type Thl avec un niveau élevé d'IFNr et peu d'IL4 et d'IL10. Les infections in vivo de souris déficientes en MyD88, TRIF, TLR3 ou TLR9 (sur fond génétique C57BL/6) ont indiqué que MyD88 et TLR9 étaient impliqués dans la résistance à l'infection par L. guyanensi, et que TRIF et TLR3 avaient un rôle important dans la sensibilité. Ce travail met en évidence le fait que la réponse immunitaire de l'hôte est modulée par le parasite selon leur caractérisation d'être soit M+ ou M-. Nous avons démontré également que plusieurs gènes et voies de signalisations étaient impliqués dans cette réponse favorisant le développement d'une LMC. ABSTRACT : Leishmania guyanensis parasites are able to disseminate from the initial site of cutaneous skin infection to the nasopharyngeal tissues resulting in destructive secondary lesions and the disease Mucocutaneous Leishmaniasis (MCL). The secondary lesions in patients have intense immune cell infiltration, elevated immune responses and the presence (albeit at low levels) of parasites. More specifically, MCL patients produce higher levels of TNFa and display impairment in their ability to control the immune response due to a defect in their ability to respond to IL10. Little is known about the pathogenesis of MCL, especially about the dissemination of the infection from the site of inoculation to secondary sites (metastasis) and the response of the host to the pathogen. The hamster model of L. guyanensis infection has previously characterized the WHO reference strain, L. guyanensis WHI/BR/78/M5313, as being highly metastatic. Clones of parasites derived from this reference strain show a differential ability to metastasize. This thesis studied the differential immune response generated by macrophages in vitro, or by mice in vivo, following infection with L. guyanensis parasites. A significant increase in the activation status of macrophages derived from C57BL/6 or BALB/c mice was observed after in vitro infection with L. guyanensis parasites when compared to non-metastatic parasites. This change in status was evidenced by the increased expression of surface activation markers, together with the chemokines, CXCL 10, CCLS, and cytokines, IL6 and TNFa. Furthermore, in vitro infection of macrophages isolated from mice deficient in either a specific Toll Like Receptor (TLR) or the adaptor molecules MyD88 or TRIF, indicated that the immune response generated following L. guyanensis metastatic parasite infection was reliant on the TRIF dependent TLR3 signalling pathway. In vivo footpad infection of BALB/c mice with the L. guyanensis M5313 parasites showed a reproducible susceptible phenotype, whereby at least 50% of infected mice developed non-healing, nonnecrosing lesions with high parasitemia that persisted over 13 weeks post infection. This phenotype was characterized by a Th2 type cytokine immune response with increased levels of IL4 and IL10 detected in the draining lymph nodes. IL 10 deficient mice on a BALB/c background, or BALB/c mice treated with anti-IL4 were able to control infection with L. guyanensis M5313 parasites, thereby proving that these cytokines were indeed implicated in the susceptibility to infection. Moreover, infection of BALB/c mice with patient isolated L. guyanensis parasites confirmed that MCL derived parasites were able to induce a susceptibility phenotype similar to that of L. guyanensis M5313. C57BL/6 mice, on the other hand, were highly resistant to infection with L. guyanensis M5313 parasites and produced transient footpad swelling that healed by week 9 post infection, together with low degrees of footpad parasitemia and a Thl polarized immune response. Infection of mice deficient in MyD88, TRIF, TLR3, and TLR9 (on a C57BL/6 background), indicated that MyD88 and TLR9 were involved in the resistance of these mice to infection, and that TRIF and TLR3 were involved in the susceptibility. This study has shown that the host response can be differentially modulated depending on the infecting parasite with several genes and pathways being identified that could be involved in promoting the development of MCL.

Mechanisms of antifungal resistance in the opportunistic fungus Aspergillus fumigatus

ABSTRACT Aspergillus fumigatus is one of the most prevalent airbone fungal pathogen and can cause severe fatal invasive aspergillosis in immunocompromised patients. Several antifungal agents are available to treat these infections but with limited success. These agents include polyenes (amphotericin B), echinocandins (caspofungin) and azoles, which constitute the most important class with itraconazole (ITC) and voriconazole as major active compounds. Azole-derived antifungal agents target the ergosterol biosynthesis pathway via the inhibition of the lanosterol 14α-demethylase (cyp51/ERG1 1), a cytochrome P450 responsible for the conversion of lanosterol to ergosterol, which is the main component of cell membrane in fungi. A. fumigatus is also found in the environment as a contaminant of rotting plant or present in composting of organic waste. Among antifungal agents used in the environment for crop protection, the class of azoles is also widely used with propiconazole or prochloraz as examples. However, other agents such as dicarboximide (iprodione), phenylamide (benalaxyl) or strobilurin (azoxystrobin) are also used. Emergence of clinical azole-resistant isolates has been described in several European countries. However the incidence of antifungal resistance has not been yet reported in details in Switzerland. In this study, the status of antifungal resistance was investigated on A. fumigatus isolates collected from Swiss hospitals and from different environmental sites and. tested for their susceptibility to several currently used antifungal agents. The data showed a low incidence of resistance for all tested agents among clinical and environmental isolates. Only two azole-resistant environmental isolates were detected and none among the clinical tested isolates. In general, A. fumigatus was susceptible to all antifungals tested in our study, except to azoxystrobin which was the less active agent against all isolates. Since mechanisms of antifungal resistance have been poorly investigated until now in A. fumigatus, this work was aimed 1) to identify A. fumigatus genes involved in antifungal resistance and 2) to test their involvement in the development of resistance in sampled isolates. Therefore, this work proposed to isolate A. fumigatus genes conferring resistance to a drug-hypersusceptible Saccharomyces cerevisiae strain due to a lack of multidrug transporter genes. Several genes were recovered including three distinct efflux transporters (atrF, atrH and mdrA) and a bZip transcription factor, yapA. The inactivation of each transporter in A. fumigatus indicated that the transporters were involved in the basal level of azole susceptibility. The inactivation of YapA led to a hypersusceptibility to H2O2, thus confirming the involvement of this gene in the oxidative stress response of A. fumigatus. The involvement of the abovementioned transporters genes and of other transporters genes identified by genome analysis in azole resistance was tested by probing their expression in some ITC-resistant isolates. Even if upregulation of some transporters genes was observed in some investigated isolates, the correlation between azole resistance and expression levels of all these transporters genes could not be clearly established for all tested isolates. Given these results, the present work addressed 1) alteration in the expression of cyp51A encoding for the azole target enzyme, and 2) mutation(s) in the cyp51A sequence as potential mechanisms of azote resistance in A. . However, overexpression of cyp51A in the investigated isolates was not linked with azote resistance. Since it was reported that mutation(s) in cyp51A were participating in azote resistance in A. fumigatus, a functional complementation of cyp51A cDNAs from ITC-resistant A. fumigatus strains in S. cerevisiae ergl 1 Δ mutant strain was attempted. Expression in S. cerevisiae allowed the testing of these cDNAs with regards to their functionality and involvement in resistance to specific azote compounds. We could demonstrate that Cyp51A protein with a G54E or M220K mutations conferred resistance to specific azoles in S. cerevisiae, therefore suggesting that these mutations were important for the development of azote resistance in A. fumigatus. In conclusion, this work showed a correlation between ITC resistance and mechanisms involving overexpression of transporters and cyp51A mutations in A. fumigatus isolates. However, azole resistance of some isolates has not been solved and thus it will be necessary to approach the study of resistance mechanisms in this fungal species using alternative methodologies. RESUME Aspergillus fumigatus est un champignon opportuniste répandu et est la cause d'aspergilloses invasives le plus souvent fatales chez des patients immunodéprimés. Plusieurs antifongiques sont disponibles afin de traiter ces infections, cependant avec un succès limité. Ces agents incluent les polyènes (amphotericin B), les échinocandines (caspofungin) et les azoles, qui représentent la plus importante classe d'antifongiques avec l'itraconazole (ITC) et le voriconazole comme principaux agents actifs. Les dérivés azolés ciblent la voie de biosynthèse de l'ergostérol via l'inhibition de la lanostérol 14α-demethylase (cyp51/ERG11), un cytochrome P450 impliqué dans la conversion du lanostérol en ergostérol, qui est un composant important de la membrane chez les champignons. A. fumigatus est également répandu dans l'environnement. Parmi les antifongiques employés en agriculture afin de protéger les cultures, les azoles sont aussi largement utilisés. Cependant, d'autres agents tels que les dicarboximides (iprodione), les phenylamides (benalaxyl) et les strobilurines (azoxystrobin) peuvent être également utilisés. L'émergence de souches cliniques résistantes aux azoles a été décrite dans différents pays européens. Cependant, l'incidence d'une telle résistance aux azoles n'a pas encore été reportée en détails en Suisse. Dans ce travail, l'émergence de la résistance aux antifongiques a été étudiée par analyse de souches d'A. fumigatus provenant de milieux hospitaliers en Suisse et de différents sites et leur susceptibilité testée envers plusieurs antifongiques couramment utilisés. Les données obtenues ont montré une faible incidence de la résistance parmi les souches cliniques et environnementales pour les agents testés. Seulement deux souches environnementales résistantes aux azoles ont été détectées et aucune parmi les souches cliniques. Les mécanismes de résistance aux antifongiques ayant été très peu étudiés jusqu'à présent chez A. fumigatus , ce travail a eu aussi pour but 1) d'identifier les gènes d' A. fumigatus impliqués dans la résistance aux antifongiques et 2) de tester leur implication dans la résistance de certaines souches. Ainsi, il a été proposé d'isoler les gènes d' A. fumigatus pouvant conférer une résistance aux antifongiques à une souche de Saccharomyces cerevisiae hypersensible aux antifongiques. Trois transporteurs à efflux (atrF, atrH et mdrA) et un facteur de transcription appartenant à la famille des bZip (YapA) ont ainsi été isolés. L'inactivation, dans une souche d'A. fumigatus, de chacun des ces transporteurs a permis de mettre en évidence leur implication dans la susceptibilité d'A. fumigatus aux antifongiques. L'inactivation de YapA a engendré une hypersusceptibilité à l' H2O2, confirmant ainsi le rôle de ce gène dans la réponse au stress oxydatif chez A . fumigatus. La participation dans la résistance aux antifongiques des gènes codant pour des transporteurs ainsi que d'autres gènes identifiés par analyse du génome a été déterminée en testant leur niveau d'expression dans des souches résistantes à l'ITC. Bien qu'une surexpression de transporteurs ait été observée dans certaines souches, une corrélation entre la résistance à l'ITC et les niveaux d'expression de ces transporteurs n'a pu être clairement établie. Ce présent travail s'est donc porté sur l'étude de 2 autres mécanismes potentiellement impliqués dans la résistance aux azoles : 1) la surexpression de cyp51A codant pour l'enzyme cible et 2) des mutations dans cyp51A. Cependant, la surexpression de cyp51A dans les souches étudiées n'a pas été constatée. L'effet des mutations de cyp51A dans la résistance aux azoles a été testée par complémentation fonctionnelle d'une souche S. cerevisiae déletée dans son gène ERG11. L'expression de ces gènes chez S. cerevisiae a permis de démontrer que les protéines Cyp51Ap contenant une mutation G54E ou M220K pouvaient conférer une résistance spécifique à certains azoles, ainsi suggérant que ces mutations pourraient être importantes dans le développement d'une résistance aux azoles chez A. fumigatus. En conclusion, ce travail a permis de mettre en évidence, dans des souches d'A. fumigatus , une corrélation entre leur résistance à l' ITC et les mécanismes impliquant une surexpression de transporteurs et des mutations dans cyp51A. Cependant, ces mécanismes n'ont pu expliquer la résistance aux azoles de certaines souches et c'est pourquoi de nouvelles approches doivent être envisagées afin d'étudier ces mécanismes.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

Role of β-catenin and γ-catenin in haematopoiesis : Generation of floxed Delta like 4 gene targeted mice

Résumé La voie de signalisation de Wnt est extrêmement conservée au cours de l'évolution. Les protéines Wnt sont des molécules sécrétées qui se lient à la famille de récepteurs Frizzled. Cette interaction mène à la stabilisation de la protéine β-caténine, qui va s'accumuler dans le cytoplasme puis migrer dans le noyau où elle peut s'hétérodimériser avec les facteurs de transcription de la famille TCF/LEF. Il a été démontré que cette voie de signalisation joue un rôle important durant la lymphopoïèse et de récents résultats suggèrent un rôle clé de cette voie dans le renouvellement des Cellules Souches Hématopoïétique (CSH). Des études se basant sur un système de surexpression de protéines montrent clairement que la voie Wnt peut influencer l'hématopoïèse. Cependant, le rôle de la protéine β-caténine dans le système hématopoïétique n'a jamais été testé directement. Ce projet de thèse se propose d'étudier la fonction de la protéine β-caténine par sa délétion inductible via le système Cre-loxP. De façon surprenante, nous avons pu démontrer que les progéniteurs de la moelle osseuse, déficients en β-caténine, ne montrent aucune altération dans leur capacité à s'auto-renouveler et/ou à reconstituer toutes les lignées hématopoïétiques (myéloïde, érythroïde et lymphoïde) dans les souris-chimères. De plus, le développement, la survie des thymocytes ainsi que la prolifération des cellules T périphériques induite par un antigène, sont indépendants de β-caténine. Ces résultats suggèrent soit que la protéine β-caténine ne joue pas un rôle primordial dans le système hématopoiétique, soit que son absence pourrait être compensée par une autre protéine. Un candidat privilégié susceptible de se substituer à β-caténine, serait plakoglobine, aussi connu sous le nom de γ-caténine. En effet, ces deux protéines partagent de multiples caractéristiques structurelles. Afin de démontrer que la protéine γ-caténine peut compenser l'absence de β-caténine, nous avons généré des souris dans lesquelles, le système hématopoïétique est déficient pour ces deux protéines. Cette déficience combinée de β- caténine et γ-caténine ne perturbe pas la capacité des Cellules Souche Hématopoïétique-Long Terme (CSH-LT) de se renouveler, par contre elle agit sur un progéniteur précoce déjà différencié de la moelle osseuse. Ces résultats mettent en évidence que la protéine γ-caténine est capable de compenser l'absence de protéine β-caténine dans le système hématopoïétique. Par conséquent, ce travail contribue à une meilleure connaissance de la cascade Wnt dans l'hématopoïèse. Summary The canonical Wnt signal transduction pathway is a developmentally highly conserved. Wnts are secreted molecules which bind to the family of Frizzled receptors in a complex with the low density lipoprotein receptor related protein (LRP-5/6). This initial activation step leads to the stabilization and accumulation of β-catenin, first in the cytoplasm and subsequently in the nucleus where it forms heterodimers with TCF/LEF transcription factor family members. Wnt signalling has been shown to be important during early lymphopoiesis and has more recently, been suggested to be a key player in self-renewal of haematopoietic stem cells (HSCs). Although mostly gain of function studies indicate that components of the Wnt signalling pathway can influence the haematopoietic system, the role of β-catenin has never been directly investigated. The aim of this thesis project is to investigate the putatively critical role of β-catenin in vivo using the Cre-loxP mediated conditional loss of function approach. Surprisingly, β-catenin deficient bone marrow (BM) progenitors arc not impaired in their ability to self-renew and/or to reconstitute all haematopoietic lineages (myeloid, erythroid and lymphoid) in both mixed and straight bone marrow chimeras. In addition, both thymocyte development and survival, and antigen-induced proliferation of peripheral T cells are β- catenin independent. Our results do not necessarily exclude the possibility of an important function for β-catenin mediated Wnt signalling in the haematopoietic system, it rather raises the question that β-catenin is compensated for by another protein. A prime candidate that may take over the function of β-catenin in its absence, is the close relative plakoglobin, also know as γ-catenin. This protein shares multiple structural features with β-catenin. In order to investigate whether γ-catenin can compensate for the loss of β-catenin we have generated mice in which the haematopoietic compartment is deficient for both proteins. Combined deficiency of β-catenin and γ-catenin does not perturb Long Term-Haematopoietic Stem Cells (LT-HSC) self renewal, but affects an already lineage committed progenitor population within the BM. Our results demonstrate that y-catenin can indeed compensate for the loss of β-catenin within the haematopoietie system.

Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Light-induced racemization: artifacts in the analysis of the diastereoisomeric pairs of thioridazine 5-sulfoxide in the plasma and urine of patients treated with thioridazine.

The ring sulfoxidation of thioridazine (THD), a widely used neuroleptic agent, yields two diastereoisomeric pairs, fast- and slow-eluting (FE and SE) thioridazine 5-sulfoxide (THD 5-SO). Until now, studies in which concentrations of these metabolites were measured in THD-treated patients have revealed no significant differences in their concentrations. Preliminary experiments in our laboratory had shown that sunlight and, to a lesser extent, dim daylight led to racemization and probably also to photolysis of the diastereoisomeric pairs as measured by high-performance liquid chromatography. Similar results were also obtained with direct UV light (UV lamp). In appropriate light-protected conditions, THD, northioridazine, mesoridazine, sulforidazine, and FE and SE THD 5-SO were measured in 11 patients treated with various doses of THD for at least 1 week. Significantly higher concentrations of the FE stereoisomeric pair were found. The concentration ratios THD 5-SO (FE)/THD 5-SO (SE) ranged from 0.89 to 1.75 in plasma and from 1.15 to 2.05 in urine. Because it is known that the ring sulfoxide contributes to the cardiotoxicity of the drug even more potently than the parent compound does, these results justify further studies to determine whether there is stereoselectivity in the cardiotoxicity of THD 5-SO.

Strategies of "Pseudomonas aeruginosa" to overcome copper limitation

Summary Copper is an important trace element and micronutrient for living organisms as it is the cofactor of several enzymes involved in diverse biological redox processes such as aerobic respiration, denitrification and photosynthesis. Despite its importance, copper may be poorly bioavailable in soils and aquatic environments, as well as in the human body, especially at physiological or alkaline pH. In this work, we have investigated the strategies that the versatile bacterium and opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa has evolved to face and overcome copper limitation. The global response of the P. aeruginosa to copper limitation was assessed under aerobic conditions. Numerous iron uptake functions (including the siderophores pyoverdine and pyochelin) were down-regulated whereas expression of cioAB (encoding an alternative, copper-independent, cyanide-resistant ubiquinol oxidase) was up-regulated. Wild type P. aeruginosa was able to grow aerobically in a defined glucose medium depleted of copper by a copper chelator, whereas a cioAB mutant did not grow. Thus, P. aeruginosa relies on the CioAB enzyme to cope with severe copper deprivation. A quadruple cyo cco1 cco2 cox mutant, which was deleted for all known heme-copper terminal oxidases of P. aeruginosa, grew aerobically, albeit more slowly than did the wild type, indicating that the CioAB enzyme is capable of energy conservation. However, the expression of a cioA'-'lacZ fusion was less dependent on the copper status in the quadruple mutant than in the wild type, suggesting that copper availability might affect cioAB expression indirectly, via the function of the heme-copper oxidases. These results suggest that the CioAB enzyme can be used as a by-pass strategy to overcome severe copper limitation and perform aerobic respiration even if virtually no copper is available. The PA0114 gene, which encodes a protein of the SCOT/SenC family, was found to be important for copper acquisition and aerobic respiration in low copper conditions. A PA0114 (sent) mutant grew poorly in low copper media and had low terminal oxidase activity with TMPD (N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine), but expressed the CioAB enzyme at elevated levels. Addition of copper reversed these phenotypes, suggesting that periplasmic copper capture by the SenC protein is another strategy that helps P. aeruginosa to adapt to copper deprivation. RESUME Le cuivre est un micronutriment important pour les organismes vivants. Il représente le cofacteur de plusieurs enzymes impliquées dans une multitude de processus biologiques tels que la respiration aérobie, la dénitrification et la photosynthèse. Malgré son importance, le cuivre peut être peu disponible dans les sols, les environnements aquatiques et le corps humain, spécialement à pH physiologique ou alcalin. Dans ce travail nous avons étudié les stratégies développées par la bactérie pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa PAO1 afm de faire face et de surmonter le manque de cuivre. La réponse globale de P. aeruginosa à la carence de cuivre a été analysée dans des conditions aérobie. Les résultats obtenus ont montré que plusieurs gènes impliqués dans l'acquisition du fer, tels que les gènes codant pour les sidérophores (pyoverdine et pyochéline), étaient réprimés, tandis que l'expression de l'opéron cioAB, codant pour l'oxydase terminale insensible au cyanure (CIO), était augmentée. La souche sauvage P. aeruginosa est capable de croître dans un milieu où la concentration en cuivre est limitée, due à la présence d'un chélateur spéciftque de cuivre, tandis que le mutant cioAB ne croît pas dans ces conditions. Nous avons conclu que P. aeruginosa nécessite l'oxydase terminale CIO pour faire face à la carence en cuivre. Un quadruple mutant affecté dans toutes les oxydases dépendantes du cuivre (cyo ccol cco2 cox) et appartenant aux oxydases de type hème-cuivre, peut croître en aérobie, néanmoins plus lentement que la souche sauvage, ce qui montre que l'enzyme CIO est capable de conserver l'énergie. L'expression de la fusion rapportrice cioA'-'IacZ chez le quadruple mutant est moins dépendante de la disponibilité de cuivre que chez la souche sauvage. Ces résultats suggèrent que la disponibilité de cuivre influence l'expression de cioAB d'une façon indirecte, par le biais des oxydases terminales de type héme-cuivre. Il est donc possible qu'en cas de carence de cuivre, P. aeruginosa utilise l'enzyme CIO comme stratégie afin de surmonter ce manque et de réaliser la respiration aérobie. Nous avons démontré que le gène PA0114, codant pour une protéine appartenant à la famille SCO1/SenC, est important dans l'acquisition et dans la respiration aérobie dans des environnements où le cuivre est présent en faible concentration. En ces conditions, la croissance du mutant senC est faible; de plus, l'activité des oxydases terminales en présence du donneur d'électrons TMPD (N,N,N,N'-tetraméthyl-p-phénylenediamine) est basse. Toutefois, l'addition de cuivre au milieu de culture permet de restaurer le phénotype du type sauvage. Ces résultats montrent que la protéine SenC est capable d'acquérir le cuivre et représente donc une autre stratégie chez P. aeruginosa pour s'adapter à un manque de cuivre.

Qualitative and quantitative analysis of thalamo-cortical axons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice

Résumé Les rongeurs utilisent leurs moustaches (vibrisses) pour explorer le milieu environnant. Chaque moustache est mue par un système des muscles. Les récepteurs situés à sa base transmettent les informations au système nerveux central. La transmission vers l'écorce se fait via trois neurones de relais qui se trouvent au niveau du ganglion trigéminé, du tronc cérébral et du thalamus. La représentation corticale d'une vibrisse est une concentration des axones thalamo-corticaux (ATC) autour desquelles s'organisent leurs cibles, les cellules de la couche IV. La structure peut être identifiée histologiquement en coupes tangentielles et porte le nom de « barrel » (« tonneau »). Cette correspondance vibrisse - barrel fait de ce système un model idéal pour étudier l'influence de l'activité périphérique sur l'établissement et le maintien des cartes somatotopiques. Notre laboratoire dispose d'une souche de souris qui a subi une mutation spontanée pour le gène codant l'adenylyl cyclase I (ACI). Cette enzyme membranaire catalyse la formation de l'AMPc et joue un rôle important dans le guidage axonal, la libération des neurotransmetteurs et l'intégration des signaux postsynaptiques. Nous avons démontré dans un premier temps que cette souris adulte ne développe pas de barrels. Cela est dû à un manque d'organisation des ATC et aussi des cellules de la couche IV. De plus, les résultats électrophysiologiques montrent que les informations venant des vibrisses adjacentes ne sont pas intégrées d'une manière normale. Dans ce travail de thèse, j'ai analysé la morphologie des ATC révélés individuellement avec de la biocytine. L'analyse quantitative des ATC a mis en évidence les points suivants: 1. Les axones de la souris normale (NOR) quittent le thalamus, traversent la capsule interne et la substance blanche sous-corticale et pénètrent dans le cortex somato-sensoriel primaire. A l'intérieur de l'écorce ils traversent au maximum 3 colonnes corticales adjacentes dont une contient le barrel cible. En passant à travers les couches VI et V, ces axones arborisent et convergent progressivement vers le barrel dans lequel ils forment une riche arborisation. Un petit nombre des branches « errantes », pleines de boutons synaptiques, pénètrent dans les barrels voisins. Deux axones NOR provenant de corps cellulaires très proches dans le thalamus peuvent avoir un cheminement très divergent lors de la traversée de la capsule interne et de la substance blanche sous-corticale mais, à leur entrée dans le cortex, ils sont distants d'au maximum 2 colonnes corticales de la colonne qui contient le barrel cible et ils convergent progressivement vers ce barrel. 2. Les axones de la souris mutante (BRL) ont le même trajet sous-cortical que les axones NOR, mais leur entrée dans le cortex somato-sensoriel primaire est aléatoire. A l'interface entre la substance blanche sous-corticale et le cortex, l'axone principal se divise rapidement en troncs axonaux qui traversent les couches VI et V d'une manière divergente pour arriver dans la couche IV. Cela contraste beaucoup avec la trajectoire des NOR qui convergent graduellement vers leur barrel cible. Le nombre de branches radiales que les axones BRL utilisent pour entrer dans le cortex et dans la couche IV est double par rapport aux axones NOR. Parmi ces branches, seules quelques-unes donnent des arborisations, les autres ne sont pas développées et leur morphologie est semblable à celle des branches formées par les axones de la souris normale lors du développement. Deux axones BRL issus de corps cellulaires proches dans le thalamus peuvent avoir une trajectoire très divergente jusqu'à leur entrée dans la couche IV, mais à ce niveau ils sont réorientés pour se retrouver et faire un nombre maximal de branches et boutons synaptiques dans la même région corticale. Dans un cas extrême, un des axones observés est entré dans le cortex à la limite entre l'aire somatosensorielle primaire et secondaire et a parcouru une distance de 2 mm pour retrouver son partenaire thalamique et donner avec celui-ci un nombre maximal de branches dans la même région de la couche IV. 3. Les mesures quantitatives ont montré que les arborisations corticales des axones NOR ont une longueur moyenne de 18mm et sont formées par 200 segments qui portent 1200 boutons synaptiques. Par rapport à la souris NOR, les axones BRL ont en moyenne la même longueur, le même nombre de segments et boutons synaptiques, mais donnent deux fois plus de branches radiales. La surface tangentielle occupée par les arborisations BRL dans la couche IV est 2 fois plus grande que celle des NOR. Cela signifie que les 1000 boutons synaptiques qui caractérisent les arborisations NOR et BRL dans la couche IV sont disséminés sur une surface tangentielle double chez les derniers, et donc que la densité des boutons par unité de surface corticale est en moyenne plus faible. En effet, l'augmentation de la surface corticale tangentielle des BRL est due aux surfaces de faible et moyenne densité synaptique (0 - 8 boutons / 400pn2) qui augmentent 2 fois tandis que les surfaces de haute densité synaptiques (8 - 64 boutons / 4001.tm2) sont les mêmes. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle, durant le développement, les ATC de la souris BRL divergent et forment un nombre exubérant de branches. Grâce à cette divergence et aux branches supranuméraires, ils trouvent l'endroit de l'écorce où se trouvent leurs voisins thalamiques et arborisent abondamment dans cette région. Cependant, le déficit en AGI ne leurs permet pas par la suite, sous influence de l'activité périphérique, de retirer les branches qui se trouvent dans les endroits inappropriés de l'écorce, avec de possibles conséquences sur la discrimination tactile.

Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

Role of Staphylococcus aureus surface proteins in experimental endocarditis

Résumé Le staphylocoque doré est un pathogène responsable d'une grande variété de maladies chez l'être humain. Il est extrêmement bien équipé de facteurs de virulence, dont les adhésines. Jusqu'à présent, 21 protéines liant des composants de tissus de l'hôte ("microbial surface components reacting with adherence matrix molecules, MSCRAMM") ont été identifiées, par exemple le "clumping factor" A (CIfA) ou la "fibronectin-binding protein" A (FnBPA). Néanmoins, pour la plupart de ces protéines, leur rôle dans la pathogénie des infections à staphylocoque doré reste à être élucidé. Le but de cette thèse est de contribuer à ce processus. Premièrement, les "MSCRAMM" CIfA, CIfB, FnBPA, FnBPB, Cna, SpA, Pls, SdrC, SdrD, SdrE, SasD, SasE, SasF, SasG, Sasl, SasJ et SasK ont été exprimés dans une bactérie substitut, Lactococcus lactis, et testés pour leurs propriétés adhésives et leur pathogénicité dans un modèle d'endocardite expérimentale (voir chapitre 1). Cette technique a préalablement été utilisée avec succès et a l'avantage d'éviter le contexte complexe des redondances et systèmes de régulations propres au staphylocoque doré. Les résultats montrent que, de tous les facteurs de virulence testés, seuls CIfA et FnBPA sont d'importance primordiale dans le développement d'endocardite expérimentale. En ce qui concerne l'internalisation dans les cellules endothéliales, seulement FnPBA et FnBPB en sont capables. En outre, l'adhérence à chacun des ligands testés (fibrinogène, fibronectine, kératine, élastine, collagène, et les caillots de fibrine et plaquettes) est très spécifique et est médiée par une ou plusieures adhésines provenant du staphylocoque doré. Par conséquence, ces protéines pourraient représenter des cibles potentielles pour de futures thérapies anti-adhésives contre le staphylocoque doré. Deuxièmement, l'expression des facteurs de virulence décrits dans le chapitre 1 par les souches recombinantes de lactocoques a été vérifiée par une nouvelle méthode utilisant la spectrométrie de masse (voir chapitre 2). L'expression de toutes ces protéines par les souches recombinantes a pu être confirmée. Cette méthode pourrait être de grande valeur dans la vérification de la présence de protéines quelconques dans toutes sortes d'applications. Troisièmement, deux facteurs de virulence du staphylocoque, CIfA et une forme tronquée de FnBPA, ont été exprimés de façon simultanée dans une souche recombinante de lactocoque (voir chapitre 3}. Contrairement à une souche exprimant la FnBPA entière, une souche exprimant la forme tronquée de FnPBA, qui ne contient plus le domaine capable de lier le fibrinogène, perd complètement sa capacité d'infecter dans le modèle d'endocardite expérimentale. Par contre, il est montré que, en cas de complémentation de la forme tronquée de FnPBA avec le domaine de liaison au fibrinogène de CIfA dans la souche double recombinante, le phénotype intégral de FnBPA est récupéré. En conséquence, les facteurs de virulence sont capables de coopérer dans le but de la pathogénie des infections à staphylocoque doré. Summary Staphylococcus aureus is a human pathogen causing a wide variety of disease. It is extremely well equipped with both secreted and surface-attached virulence factors, which can act as adhesins to host tissues. In total, twenty-one microbial surface components reacting with adherence matrix molecules (MSCRAMMs) have been identified, so far. These include well-characterized adhesins such as clumping factor A (CIfA) or fibronectin-binding protein A (FnBPA). However, for most of them their potential role in the pathogenesis of staphylococcal infections remains to be elucidated. This has been attempted in this thesis work. Firstly, the staphylococcal MSCRAMMs CIfA, CIfB, FnBPA, FnBPB, Cna, SpA, Pls, SdrC, SdrD, SdrE, SasD, SasE, SasF, SasG, Sasl, SasJ, and SasK have been expressed in a surrogate bacterium, Lactococcus lactis, and tested for their in vitro adherence properties and their pathogenicity in the rat model of experimental endocarditis (see chapter 1). This model has successfully been used previously, and has the advantage of bypassing the complex S. aureus background of redundancies and differential regulation. Here, it is shown that of the seventeen tested potential virulence factors, only CIfA and FnBPA are critical for the pathogenesis of experimental endocarditis in rats, while internalization into bovine endothelial cells is mediated exclusively by FnBPA and FnBPB. In addition, the adherence to specific host ligands (fibrinogen, fibronectin, keratin, elastin, collagen, and fibrin-platelet clots) is highly specific and mediated by one or few staphylococcal adhesins, respectively. Thus, these surface proteins may represent potential targets for an anti-adhesive strategy against S. aureus infections. Secondly, the expression of the staphylococcal proteins by L. lactis recombinants described in chapter 1 was tested by a novel method using mass spectrometry (see chapter 2). The expression of all the staphylococcal proteins by the respective recombinant lactococcal strain could be confirmed. This method may prove to be of great value in the confirmation of the presence of any given protein in various experimental settings. Thirdly, two staphylococcal virulence factors, CIfA and a truncated form of FnBPA, were expressed simultaneously in one recombinant lactococcal strain (see chapter 3). In contrast to a recombinant strain expressing full-length FnPBA, a recombinant strain expressing a truncated FnPBA, lacking the domain capable of binding fibrinogen, completely lost infectivity in experimental endocarditis. However, it is shown that the complementation of the truncated form of FnBPA with the fibrinogenbinding domain of CIfA in a double recombinant strain results in the recovery of the complete phenotype of full-length FnBPA. Thus, virulence factors can cooperate in the pathogenesis of staphylococcal infections.

Innate immune responses to "Aspergillus fumigatus"

AbstractAspergillus fumigatus is a ubiquitous mould that can cause invasive aspergillosis, a potentially lethal infection in onco-hematological patients. With an incidence rate ranging from 5 to 15%, invasive aspergillosis (IA) is one of the most frequent infections in patients undergoing intensive myeloablative chemotherapy for acute leukaemia or allogenic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Toll-like receptors (TLRs) are transmembrane proteins located in immune cells, such as macrophages sand dendritic cells, that detect molecular motifs from invading pathogens to initiate immune response mechanisms. Studies suggested a role for TLR2 and TLR4 in the detection of A. fumigatus. However, few data are available on the role of TLR1 and TLR6, both known as TLR2 co-receptors, in innate immune responses to this pathogen.In this study, we used an immunogenic mutant strain of A. fumigatus, together with a wild-type strain, to analyse the role of TLRs and their signalling pathways in the innate immune response to this mould. We show for the first time that this response involves both TLR1 and TLR6 in mouse and TLR1, but not TLR6, in human. We show that, despite the high sequence homology between TLR1 and TLR6, the specificity in the sensing of A. fumigatus relies on the human TLR1 and TLR6 ectodomains. Furthermore, we show that two human single nucleotide polymorphisms (SNPs) (G1805T [S6021] and G239C [R80T]) affect the response to this pathogen. Our work also confirms the role of TLR2 and TLR4 in the detection of A. fumigatus, together with their co-receptors CD 14 and MD2, in both mouse and human, and highlights the nature of the intracellular signaling pathway used by these receptors to mediate the immune response against this pathogen.This study provides a comprehensive analysis of the role of TLRs and their signalling pathways in the innate immune recognition of A. fumigatus and may have important consequences for diagnosis, management and treatment of IA in high risk patients.RésuméAspergillus fumigatus est un champignon saprophyte ubiquitaire qui peut causer l'aspergillose invasive (AI), une infection potentiellement mortelle chez les patients onco-hématologiques. Avec un taux d'incidence de 5 à 15%, l'AI est l'une des infections les plus fréquentes chez les patients subissant une chimiothérapie intensive pour une leucémie aiguë ou une allogreffe de cellules souches hématopoïétiques. Les récepteurs Toll-like (Toll-like receptors, TLRs) sont des protéines transmembranaires placés stratégiquement à la surface de certaines cellules immunitaires, comme les macrophages et les cellules dendritiques. Ces protéines sont capables de détecter des motifs moléculaires à la surface des pathogènes et de déclencher la réponse immunitaire innée. Des études ont suggéré l'implication de TLR2 et TLR4 dans la détection dΆ. fumigatus. Cependant, peu de données sont disponibles sur le rôle de TLR1 et TLR6, qui sont les co-récepteurs de TLR2, dans ce mécanisme de défense immunitaire.Dans cette étude, nous avons utilisé une souche particulièrement immunogénique d'A. fumigatus, ainsi qu'une souche sauvage, pour analyser l'implication des récepteurs TLRs dans la réponse immunitaire à ce champignon filamenteux. Nous montrons pour la première fois que cette détection implique TLR1 et TLR6 chez la souris, et TLR1, mais pas TLR6, chez l'homme. Nous montrons également que la spécificité de détection chez l'homme est due à des séquences spécifiques du domaine extra- membranaire de TLR1 et TLR6, et que des polymorphismes mono-nucléotidiques du récepteur (G1805T [S602I] and G239C [R80T]) influencent la réponse à ce pathogène. Nous confirmons également l'implication de TLR2 et TLR4, avec leurs co-récepteurs CD14 et MD2, dans la détection d'A. fumigatus, chez l'homme et la souris, et mettons en évidence les voies de signalisation cellulaires impliquées dans la réponse immunitaire à ce pathogène.Ces nouvelles connaissances sur le rôle des TLRs et de leurs voies de signalisation cellulaire dans la détection immunitaire innée d'A. fumigatus pourraient influencer le diagnostic, la prévention et le traitement de l'AI chez les patients à haut risque de développer cette infection.