Effets des conditions environnementales sur la croissance et l'expression génique de Mycobacterium ulcerans, agent causatif de l'ulcère de Buruli

Effects of environmental conditions on the growth and genetic expression of Mycobacterium ulcerans, the causative agent of Buruli ulcer

• Auteur / Autrice : Daniel Sanhueza
• Direction : Jean-François Guégan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MP - Microbiologie/Parasitologie
• Date : Soutenance le 07/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Maladies infectieuses et vecteurs : écologie, génétique, évolution et contrôle (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Guégan, Dominique Hervio-Heath, Renaud Piarroux, Estelle Bilak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominique Hervio-Heath, Renaud Piarroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression génique

Niche écologique

Techniques in vitro

Mycobacterium ulcerans

Ulcère de Buruli

Mots clés libres

Ulcère de Buruli

Mycobacterium ulcerans

Expérimentation in vitro

Niche écologique

Interactions génome-Environnement

Expression génique

Buruli ulcer

Mycobacterium ulcerans

In vitro experiments

Ecological niche

Genome-Environment interactions

Genetic expression

Résumé

Mycobacterium ulcerans (MU), agent causatif de l'ulcère de Buruli (UB), une maladie infectieuse humaine émergente, est associé aux milieux aquatiques tropicaux, et en particulier ceux modifiés par les activités humaines. L’écologie de cette mycobactérie est encore peu informée, et des interrogations demeurent sur son cycle de transmission au sein des écosystèmes et à l’humain. La tendance observée aujourd’hui en recherche est de montrer l’existence d’une multitude de taxa porteurs du bacille au sein des écosystèmes aquatiques mais aussi terrestres, laissant donc imaginer qu’un ou quelques facteurs en commun puissent expliquer sa présence et son développement. Dans ce contexte, nous avons développé des approches expérimentales au laboratoire pour analyser les effets de paramètres environnementaux, sélectionnés comme être importants dans la définition de la niche écologique de MU, sur le maintien et le développement des populations bactériennes. En tenant compte de gammes de valeurs rencontrées dans des régions endémiques et non endémiques, où sévit, nous avons testé dans un premier temps l'effet de deux polysaccharides très largement présents dans les écosystèmes naturels (la chitine et l’amidon) ainsi que cinq composants chimiques (le fer, le calcium, le zinc, le phosphate et le sulfate), représentant des nutriments indispensables pour les bactéries, sur la croissance de MU. Notre travail montre que la chitine augmente de manière très significative la croissance de MU. A l’inverse, la présence d’amidon ne favorise pas son développement. Le calcium est le seul élément chimique à contribuer à l’augmentation de quantité de cellules de MU avec le temps, mais ce paramètre reste toutefois très marginal. L’absence d’effet joué par le fer, le zinc, le sulfate et le phosphate sur la croissance in vitro de MU tend à indiquer que les valeurs utilisées dans nos expériences correspondent à des valeurs limites pour expliquer la distribution géographique de MU dans les écosystèmes aquatiques tropicaux. Dans un deuxième temps, eu égard au peu d‘informations existant concernant le rôle joué par le pH sur la présence et le développement de MU, nous avons reproduit des environnements pour étudier la croissance de MU en fonction de différentes valeurs de pH rencontrées dans des régions du Cameroun et de Guyane française où la mycobactérie peut être présente ou absente. Nos résultats montrent que le pH présente un effet significatif sur la dynamique de croissance de MU avec un effet plus marqué pour des valeurs de pH proches de 6,0. De plus, il existe une forte interaction entre pH et chitine puisque pour des mêmes valeurs de pH, la croissance bactérienne est 10 fois plus importante en présence de milieu avec chitine. Ces résultats suggèrent aussi que des pH trop acides, inférieurs à 5,0, sont défavorables à la croissance de la mycobactérie.Finalement, nous nous sommes intéressés à l’expression génique de différents isolats de MU générés à partir de différents environnements expérimentaux. Pour ce faire, et en nous servant d’une nouvelle approche de séquençage des ARN, nous avons étudié l’expression de MU dans différents environnements ; Nous nous sommes notamment intéressés à l’expression des gènes impliqués dans les voies métaboliques de production de la mycolactone, le peptide responsable des ulcérations chez l’humain. Des contextes environnementaux spécifiques pourraient conduire à une sur-expression de toxine peptidique traduisant ainsi une écologie et une épidémiologie (micro-)contexte-dépendant ayant des incidences pathologiques et cliniques très particulières.Dans leur ensemble, nos résultats participent à une recherche permettant de mieux comprendre les paramètres clés de la niche écologique de M. ulcerans et au-delà contribue à l’identification des écosystèmes aquatiques favorables, ou non, au maintien et au développement de cette mycobactérie responsable de l’ulcère de Buruli.

Mycobacterium ulcerans (MU), the causative agent of Buruli ulcer (BU), an emerging human infectious disease, is associated with tropical aquatic environments, particularly those modified by human activities. The ecology of this mycobacterium is still poorly understood, and questions remain about its transmission cycle within ecosystems and from nature to humans. Nowadays the research orientation is to show the existence of a multitude of host taxa carrying the bacillus in both aquatic and riparian ecosystems. Thus, it is likely to think that one or a few common factors might contribute and explain the presence and development of this bacillus across distinct localities and regions.In this context, we have developed experimental approaches in the laboratory to analyze the effects of several environmental parameters, selected as being important in the definition of the MU ecological niche and in its growth and persistence in natural ecosystems. Considering ranges of values encountered in endemic and non-endemic regions where BU occurs, we first tested the effect on MU growth of two polysaccharides widely present in nature (chitin and starch) and five chemical components (iron, calcium, zinc, phosphate and sulfate) representing essential nutrients for bacteria. Our work shows that chitin increases significantly the growth of MU. Conversely, the presence of starch does not favor its development with time. Calcium is the only chemical element contributing to increase MU cell number over time, but this effect remains very marginal. The lack of effect exerted by iron, zinc, sulfate and phosphate on the in vitro growth of MU suggests that values used in our experiments correspond to the limit values to explain the geographical distribution of MU in tropical aquatic ecosystems.Secondly, given the few existing information about the role of pH on the presence and development of MU in natural settings, we have reproduced in the lab some environments to study the growth of MU depending on different pH values encountered in regions of Cameroon and French Guiana where the mycobacterium can be present or absent. Our results show that pH has a significant effect on MU growth with a greater effect at pH values close to 6.0. In addition, there is a strong interaction between pH and chitin as to the same pH bacterial growth is 10 times greater in the presence of medium with chitin. These results also suggest that pH too acidic, lower than 5.0 are unfavorable for MU growth.Finally, we looked at gene expression of different MU cultures from different experimental frameworks. Here, and by making use of a new RNA sequencing approach, we studied the genetic expression of MU in differents environments. We are especially interested in the expression of genes implicated in the metabolic pathways of mycolactone production, the peptide toxin responsible of ulcerations in human. Specific environmental contexts could lead to an over-expression of these genes by MU populations, thus pinpointing the fact that MU ecology and epidemiology could be (micro-) context-dependent having some pathological and clinical implications. Taken together, our results participate in a research allowing to better understand the key parameters of the ecological niche of MU, and beyond helping to identify the aquatic ecosystems favorable or not to the maintenance and development of this mycobacterium responsible for Buruli ulcer.