Comprehensive study of new virulent bacteriophages : from transcriptomic and mechanistic characterisations towards evolutionary perspectives

par Anne Chevallereau

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie. Microbiologie procaryote et eucaryote

Sous la direction de Laurent Debarbieux.

  • Titre traduit

    Étude globale de deux nouveaux bactériophages : caractérisations transcriptomique, mécanistique et perspectives évolutives


  • Résumé

    Soutenue par le renouveau de la phagothérapie, la découverte de nouveaux bactériophages (phages) nous a permis de définir deux nouveaux genres de virus dénommés Kpp10virus et Pakpunavirus dont les mécanismes infectieux sont inconnus. Il est admis que le succès d’un cycle infectieux est notamment assuré par une réappropriation efficace des ressources de la cellule hôte, conduisant à sa transformation en « virocellule », c’est-à-dire, un organisme cellulaire exclusivement dédié à la production de particules virales. Ce travail de thèse a pour objectif d’apporter une vision globale des stratégies moléculaires utilisées par les virus appartenant aux genres Kpp10virus et Pakpunavirus (respectivement représentés par les phages PAK_P3 et PAK_P4) pour infecter le pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa. Dans un premier temps, nous avons évalué leurs propriétés intrinsèques en analysant le contenu de leurs génomes, leurs spectres d’hôtes, leurs paramètres de croissance ainsi qu’en identifiant leur récepteur bactérien. Dans un second temps, une combinaison d’approches transcriptomiques et métabolomiques a permis de montrer que ces deux virus ont des programmes transcriptionnels similaires, incluant notamment une régulation temporelle de leur expression génétique et la production de transcrits antisens. De plus, ils provoquent tous deux la dégradation rapide de 90% des ARNm de l’hôte, qui sont alors remplacés par des ARNm viraux. Malgré cette dégradation, nous avons constaté que ces deux phages redirigent les voies de biosynthèse bactériennes plutôt que de provoquer une extinction totale du métabolisme cellulaire, en utilisant cependant des mécanismes différents. De plus, nous avons détecté l’activation, par l’hôte, d’une réponse commune en réponse à une infection par PAK_P3 ou PAK_P4 et avons émis l’hypothèse qu’il s’agit d’une tentative de réparation des importants dommages ARN induits par l’infection virale. Enfin, nous avons étudié les fonctions d’une protéine virale (Gp92), largement conservée chez les virus appartenant à ces deux genres et qui est produite au stade précoce du cycle infectieux. Lorsqu’elle est produite seule chez l’hôte, cette protéine altère la morphologie cellulaire et interagit avec un complexe de régulation bactérien de type sigma/anti-sigma impliqué dans la réponse au stress (appelé AlgU-MucA). Notre étude suggère un rôle potentiel de Gp92 dans l’atténuation du stress provoqué par l’infection virale. Ce manuscrit fournit un modèle de transformation d’une cellule de P. aeruginosa en « virocellule » au cours de l’infection par PAK_P3 ou PAK_P4. De plus, la comparaison des stratégies de ces deux virus, vraisemblablement issus d’un ancêtre commun, nous a permis de discuter l’évolution des mécanismes infectieux chez les phages virulents


  • Résumé

    Previous investigations in the field of phage therapy led to the discovery of two new genera of bacteriophages (phages), namely Kpp10virus and Pakpunavirus whose infection mechanisms are unknown. It is acknowledged that a successful infection is notably ensured by an effective takeover of host cell resources, leading to its transformation into a virocell, a cellular organism exclusively dedicated to the production of progeny phages.This PhD work aims to provide a comprehensive view of molecular strategies set up by Kpp10virus and Pakpunavirus (represented by phages PAK_P3 and PAK_P4, respectively) to infect the opportunist pathogen Pseudomonas aeruginosa.First, we assessed phage intrinsic properties by analyzing their genomic content, evaluating their host range and growth parameters and identifying their bacterial receptor.Then, by coupling transcriptomics and metabolomics approaches, we found that both viruses have similar transcriptional programs, with a temporal regulation of their gene expression and production of antisense transcripts. They both strikingly prompt a rapid degradation of 90% of host mRNAs, which are eventually replaced by viral RNAs. Despite this extensive degradation, we found that both phages do not shutoff host metabolism but redirect biosynthesis pathways, however through different mechanisms. In addition, we found that a common host response is elicited upon both PAK_P3 and PAK_P4 infections and hypothesized it represents an attempt of the host to repair extensive RNA damage.Finally, we investigated the functions of an early produced phage protein (Gp92), broadly conserved in both phage genera, in order to identify particular mechanisms of host subversion used by these phages. When expressed alone in the host, Gp92 alters cell morphology and interacts with the bacterial regulatory complex sigma/anti-sigma involved in stress response (namely AlgU- MucA). Our study suggests a potential role of Gp92 in alleviating the stress caused by phage infection.This manuscript provides a model of virocell transformation upon infection of P. aeruginosa by PAK_P3 or PAK_P4. In addition, by comparing their reproductive strategies, it addresses the evolution of infection mechanisms in virulent phages deriving from a common ancestor

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