Quantitative proteomics reveals subset-specific viral recognition in dendritic cells.

Dendritic cell (DC) populations consist of multiple subsets that are essential orchestrators of the immune system. Technological limitations have so far prevented systems-wide accurate proteome comparison of rare cell populations in vivo. Here, we used high-resolution mass spectrometry-based proteomics, combined with label-free quantitation algorithms, to determine the proteome of mouse splenic conventional and plasmacytoid DC subsets to a depth of 5,780 and 6,664 proteins, respectively. We found mutually exclusive expression of pattern recognition pathways not previously known to be different among conventional DC subsets. Our experiments assigned key viral recognition functions to be exclusively expressed in CD4(+) and double-negative DCs. The CD8alpha(+) DCs largely lack the receptors required to sense certain viruses in the cytoplasm. By avoiding activation via cytoplasmic receptors, including retinoic acid-inducible gene I, CD8alpha(+) DCs likely gain a window of opportunity to process and present viral antigens before activation-induced shutdown of antigen presentation pathways occurs.

Evolutionary analysis of genes of two pathways involved in placental malaria infection

Placental malaria is a special form of malaria that causes up to 200,000 maternal and infant deaths every year. Previous studies show that two receptor molecules, hyaluronic acid and chondroitin sulphate A, are mediating the adhesion of parasite-infected erythrocytes in the placenta of patients, which is believed to be a key step in the pathogenesis of the disease. In this study, we aimed at identifying sites of malaria-induced adaptation by scanning for signatures of natural selection in 24 genes in the complete biosynthesis pathway of these two receptor molecules. We analyzed a total of 24 Mb of publicly available polymorphism data from the International HapMap project for three human populations with European, Asian and African ancestry, with the African population from a region of presently and historically high malaria prevalence. Using the methods based on allele frequency distributions, genetic differentiation between populations, and on long-range haplotype structure, we found only limited evidence for malaria-induced genetic adaptation in this set of genes in the African population; however, we identified one candidate gene with clear evidence of selection in the Asian population. Although historical exposure to malaria in this population cannot be ruled out, we speculate that it might be caused by other pathogens, as there is growing evidence that these molecules are important receptors in a variety of host-pathogen interactions. We propose to use the present methods in a systematic way to help identify candidate regions under positive selection as a consequence of malaria.

Combining molecular evolution and environmental genomics to unravel adaptive processes of MHC class IIB diversity in European minnows (Phoxinus phoxinus)

Host-pathogen interactions are a major evolutionary force promoting local adaptation. Genes of the major histocompatibility complex (MHC) represent unique candidates to investigate evolutionary processes driving local adaptation to parasite communities. The present study aimed at identifying the relative roles of neutral and adaptive processes driving the evolution of MHC class IIB (MHCIIB) genes in natural populations of European minnows (Phoxinus phoxinus). To this end, we isolated and genotyped exon 2 of two MHCIIB gene duplicates (DAB1 and DAB3) and 1665 amplified fragment length polymorphism (AFLP) markers in nine populations, and characterized local bacterial communities by 16S rDNA barcoding using 454 amplicon sequencing. Both MHCIIB loci exhibited signs of historical balancing selection. Whereas genetic differentiation exceeded that of neutral markers at both loci, the populations' genetic diversities were positively correlated with local pathogen diversities only at DAB3. Overall, our results suggest pathogen-mediated local adaptation in European minnows at both MHCIIB loci. While at DAB1 selection appears to favor different alleles among populations, this is only partially the case in DAB3, which appears to be locally adapted to pathogen communities in terms of genetic diversity. These results provide new insights into the importance of host-pathogen interactions in driving local adaptation in the European minnow, and highlight that the importance of adaptive processes driving MHCIIB gene evolution may differ among duplicates within species, presumably as a consequence of alternative selective regimes or different genomic context.

Differential effectiveness of microbially induced resistance against herbivorous insects in Arabidopsis.

Rhizobacteria-induced systemic resistance (ISR) and pathogen-induced systemic acquired resistance (SAR) have a broad, yet partly distinct, range of effectiveness against pathogenic microorganisms. Here, we investigated the effectiveness of ISR and SAR in Arabidopsis against the tissue-chewing insects Pieris rapae and Spodoptera exigua. Resistance against insects consists of direct defense, such as the production of toxins and feeding deterrents and indirect defense such as the production of plant volatiles that attract carnivorous enemies of the herbivores. Wind-tunnel experiments revealed that ISR and SAR did not affect herbivore-induced attraction of the parasitic wasp Cotesia rubecula (indirect defense). By contrast, ISR and SAR significantly reduced growth and development of the generalist herbivore S. exigua, although not that of the specialist P. rapae. This enhanced direct defense against S. exigua was associated with potentiated expression of the defense-related genes PDF1.2 and HEL. Expression profiling using a dedicated cDNA microarray revealed four additional, differentially primed genes in microbially induced S. exigua-challenged plants, three of which encode a lipid-transfer protein. Together, these results indicate that microbially induced plants are differentially primed for enhanced insect-responsive gene expression that is associated with increased direct defense against the generalist S. exigua but not against the specialist P. rapae.

Reactive electrophile species activate defense gene expression in Arabidopsis.

Compounds containing alpha,beta-unsaturated carbonyl groups are increasingly implicated as potent regulators of gene expression; some are powerful cytotoxins known to accumulate at the site of lesion formation in host-pathogen interactions. We used a robust measurement of photosynthetic efficiency to quantify the toxicity of a variety of lipid derivatives in Arabidopsis leaves. Small alpha,beta-unsaturated carbonyl compounds (e.g. acrolein and methyl vinyl ketone) were highly active and proved to be potent stimulators of expression of the pathogenesis-related gene HEL (PR4). These small volatile electrophiles were far more active than larger alkenal homologs like 2(E)-hexenal, and activated HEL expression in a manner independent of salicylate, ethylene, and jasmonate production/perception. Electrophile treatment massively increased the levels of unesterified cyclopentenone jasmonates, which themselves are electrophiles. Patterns of gene expression in response to electrophile treatment and in response to avirulent bacteria were compared, which revealed strikingly similar transcript profiles. The results broaden the range of known biologic effects of reactive electrophile species to include the activation of a pathogenesis-related gene (HEL) and genes involved in metabolism. Electrophiles can act as mediators of both genetic and biochemical effects on core defense signal transduction.

Experimentally increased group diversity improves disease resistance in an ant species.

A leading hypothesis linking parasites to social evolution is that more genetically diverse social groups better resist parasites. Moreover, group diversity can encompass factors other than genetic variation that may also influence disease resistance. Here, we tested whether group diversity improved disease resistance in an ant species with natural variation in colony queen number. We formed experimental groups of workers and challenged them with the fungal parasite Metarhizium anisopliae. Workers originating from monogynous colonies (headed by a single queen and with low genetic diversity) had higher survival than workers originating from polygynous ones, both in uninfected groups and in groups challenged with M. anisopliae. However, an experimental increase of group diversity by mixing workers originating from monogynous colonies strongly increased the survival of workers challenged with M. anisopliae, whereas it tended to decrease their survival in absence of infection. This experiment suggests that group diversity, be it genetic or environmental, improves the mean resistance of group members to the fungal infection, probably through the sharing of physiological or behavioural defences.

Sensing of mammalian IL-17A regulates fungal adaptation and virulence.

Infections by opportunistic fungi have traditionally been viewed as the gross result of a pathogenic automatism, which makes a weakened host more vulnerable to microbial insults. However, fungal sensing of a host's immune environment might render this process more elaborate than previously appreciated. Here we show that interleukin (IL)-17A binds fungal cells, thus tackling both sides of the host-pathogen interaction in experimental settings of host colonization and/or chronic infection. Global transcriptional profiling reveals that IL-17A induces artificial nutrient starvation conditions in Candida albicans, resulting in a downregulation of the target of rapamycin signalling pathway and in an increase in autophagic responses and intracellular cAMP. The augmented adhesion and filamentous growth, also observed with Aspergillus fumigatus, eventually translates into enhanced biofilm formation and resistance to local antifungal defenses. This might exemplify a mechanism whereby fungi have evolved a means of sensing host immunity to ensure their own persistence in an immunologically dynamic environment.

ViralZone: recent updates to the virus knowledge resource.

ViralZone (http://viralzone.expasy.org) is a knowledge repository that allows users to learn about viruses including their virion structure, replication cycle and host-virus interactions. The information is divided into viral fact sheets that describe virion shape, molecular biology and epidemiology for each viral genus, with links to the corresponding annotated proteomes of UniProtKB. Each viral genus page contains detailed illustrations, text and PubMed references. This new update provides a linked view of viral molecular biology through 133 new viral ontology pages that describe common steps of viral replication cycles shared by several viral genera. This viral cell-cycle ontology is also represented in UniProtKB in the form of annotated keywords. In this way, users can navigate from the description of a replication-cycle event, to the viral genus concerned, and the associated UniProtKB protein records.

Spontaneous viral clearance, viral load, and genotype distribution of hepatitis C virus (HCV) in HIV-infected patients with anti-HCV antibodies in Europe.

BACKGROUND: Variables influencing serum hepatitis C virus (HCV) RNA levels and genotype distribution in individuals with human immunodeficiency virus (HIV) infection are not well known, nor are factors determining spontaneous clearance after exposure to HCV in this population. METHODS: All HCV antibody (Ab)-positive patients with HIV infection in the EuroSIDA cohort who had stored samples were tested for serum HCV RNA, and HCV genotyping was done for subjects with viremia. Logistic regression was used to identify variables associated with spontaneous HCV clearance and HCV genotype 1. RESULTS: Of 1940 HCV Ab-positive patients, 1496 (77%) were serum HCV RNA positive. Injection drug users (IDUs) were less likely to have spontaneously cleared HCV than were homosexual men (20% vs. 39%; adjusted odds ratio [aOR], 0.36 [95% confidence interval {CI}, 0.24-0.53]), whereas patients positive for hepatitis B surface antigen (HBsAg) were more likely to have spontaneously cleared HCV than were those negative for HBsAg (43% vs. 21%; aOR, 2.91 [95% CI, 1.94-4.38]). Of patients with HCV viremia, 786 (53%) carried HCV genotype 1, and 53 (4%), 440 (29%), and 217 (15%) carried HCV genotype 2, 3, and 4, respectively. A greater HCV RNA level was associated with a greater chance of being infected with HCV genotype 1 (aOR, 1.60 per 1 log higher [95% CI, 1.36-1.88]). CONCLUSIONS: More than three-quarters of the HIV- and HCV Ab-positive patients in EuroSIDA showed active HCV replication. Viremia was more frequent in IDUs and, conversely, was less common in HBsAg-positive patients. Of the patients with HCV viremia analyzed, 53% were found to carry HCV genotype 1, and this genotype was associated with greater serum HCV RNA levels.

Nosocomial Pneumocystis jirovecii infections.

Airborne transmission of Pneumocystis sp. from host to host has been demonstrated in rodent models and several observations suggest that interindividual transmission occurs in humans. Moreover, it is accepted that the Pneumocystis organisms infecting each mammalian species are host specific and that the hypothesis of an animal reservoir for Pneumocystis jirovecii (P. jirovecii), the human-specific Pneumocystis species, can be excluded. An exosaprophytic form of the fungus cannot be strictly ruled out. However, these data point toward the potential for the specific host to serve as its own reservoir and for Pneumocystis infection in humans as an anthroponosis with humans as a reservoir for P. jirovecii. This review highlights the main data on host-to-host transmission of Pneumocystis in rodent models and in humans by the airborne route and provides a rationale for considering the occurrence of nosocomial infections and measures for their prevention

L'évolution du phagosome

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

Analyse des protéines cellulaires incorporées dans les particules matures du virus de l’Herpès simplex de type 1

Les virus exploitent la machinerie cellulaire de l’hôte de façon très variée et plusieurs types vont même jusqu’à incorporer certaines protéines cellulaires. Nous avons récemment effectué la première analyse protéomique du virion mature de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1), ce qui nous a permis de déterminer que jusqu’à 49 protéines cellulaires différentes se retrouvaient dans ce virus (Loret, S. et al. (2008). "Comprehensive characterization of extracellular herpes simplex virus type 1 virions." J Virol 82(17): 8605-18.). Afin de déterminer leur importance dans le cycle de réplication d’HSV-1, nous avons mis au point un système de criblage nous permettant de quantifier le virus produit et relâché dans le milieu extracellulaire en utilisant un virus marqué à la GFP ainsi que des petits ARN interférents (pARNi) ciblant spécifiquement ces protéines cellulaires. Cette approche nous a permis de démontrer que 17 des protéines identifiées précédemment jouaient un rôle critique dans la réplication d’HSV-1, suggérant ainsi que leur incorporation dans le virus n’est pas aléatoire. Nous avons ensuite examiné le rôle d’une de ces protéines, DDX3X (DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 3, X-linked), une protéine multifonctionnelle connue pour son implication dans les cycles de réplication de plusieurs virus humains. À l’aide de pARNi ainsi que de différentes lignées cellulaires, dont une lignée DDX3X thermosensible, nous avons démontré que l’inhibition de DDX3X résultait en une diminution du nombre de capsides intracellulaires et induisait une importante diminution de l’expression des gènes viraux. Nous avons aussi démontré que la fraction de DDX3X incorporée dans le virion contribuait activement au cycle infectieux d’HSV-1. Ces résultats confirment l’intérêt de notre approche afin d’étudier les interactions hôte-pathogène en plus de démontrer la contribution des protéines cellulaires incorporées à HSV-1 dans l’infection virale.

Importance des protéines cellulaires incorporées dans les virions matures d’HSV-1

Pour compléter leur cycle de vie, les virus interagissent avec de nombreux facteurs de la cellule-hôte. Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1) ne fait pas exception. Une récente étude protéomique du virus effectuée par notre laboratoire a permis d’identifier 49protéines cellulaires potentiellement incorporées dans les virions matures d’HSV-1 [1]. Étant donné que certaines de ces protéines peuvent jouer des rôles importants au cours du cycle de vie du virus, elles constituent des cibles de choix pour identifier et caractériser de nouvelles interactions hôte-pathogène dans le contexte d’HSV-1. D’ailleurs le laboratoire a été effectué un criblage aux petits ARN d’interférence qui a démontré qu'au moins 15 des protéines incorporées sont impliqués dans le cycle de réplication de HSV-1 en culture cellulaire (Annexe 1). Des nombreuses études rapportent l'incorporation des protéines de l'hôte dans les virions matures mais très peu abordent l'importance de la fraction des protéines cellulaires incorporée dans les virions pour le cycle virale. Pour vérifier ça, nous avons déplété ces protéines des virions matures extracellulaires en utilisant des petits ARN d’interférence. Par la suite, nous avons utilisé ces virus déplétés pour réinfecter des cellules déplétées ou normales. Cette méthode nous a permis d'identifier pour la première fois 8 protéines (DDX3X, HSPA8, KRT10, MIF, Rab5A, Rab6A, Rab10 et 14-3-3ζ) dont l'absence dans les virions réduit la production virale d'au moins 50%. Pour mieux comprendre à quelle étape du cycle viral ces protéines sont nécessaires, nous avons aussi quantifié les virus intracellulaires, produits des cellules déplétées individuellement des quinze protéines cellulaires. Ainsi, nous avons trouvé que dans nos conditions 7 de ces 8 protéines cellulaires (DDX3X, HSPA8, KRT10, MIF, Rab5A, Rab6A et Rab10) semblent impliquées dans la production des virus intracellulaires, ce qui nous a stimulés à débuter une série de tests plus approfondis de l’entrée d’HSV-1. Les résultats préliminaires, démontrent l’implication dans l’entrée d’HSV-1 d’au moins 3 à 4 de ces protéines (HSPA8, KRT10, Rab5A et Rab10).

Les macrophages d’ascendance européenne et africaine répondent différemment aux infections bactériennes

Des études antérieures démontrent que les descendants de peuples européens et africains présentent des différences de susceptibilité à certaines maladies infectieuses. Ces différences suggèrent des variations interpopulationnelles de la réponse immunitaire qui résultent probablement de l’adaptation de ces individus aux pathogènes de leur environnement. Nous avons caractérisé la réponse immunitaire chez des descendants de peuples européens et africains à des infections bactériennes. Nous avons infecté des macrophages dérivés de monocytes de 30 Américains d’origine africaine (Africains) et de 31 Américains d’origine européenne (Européens) avec les pathogènes intracellulaires Listeria monocytogenes et Salmonella typhimurium pendant 4 heures, puis nous avons mesuré le niveau d’expression pangénomique des cellules infectées et non infectées par séquençage de l’ARNm. Nous avons estimé le niveau de contrôle de l’infection par les macrophages à 2, 4 et 24 heures post-infection en évaluant le taux de survie des bactéries. Nous avons observé que les Africains présentent significativement moins de bactéries intracellulaires après 4 et 24 heures que les Européens, suggérant que les Africains contrôlent mieux les infections bactériennes. Nous avons identifié des différences interpopulationnelles dans le niveau de sécrétion des cytokines et dans le niveau d’expression de certains gènes, ce qui suggère que les Africains modulent une réponse inflammatoire plus forte que les Européens. Nous avons démontré que plusieurs de ces gènes ont subi des évènements de sélection positive récents seulement chez les Européens. Notre étude a identifié plusieurs gènes candidats susceptibles d’influencer le cours des infections bactériennes chez les humains. Nos résultats indiquent que les différences dans la progression des maladies infectieuses entre les populations européennes et africaines seraient le résultat de la sélection naturelle.

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

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