Rôle des phages Stx dans la diversité des souches d’Escherichia coli producteurs de Shiga-toxine (STEC) O26 : H11 isolées de produits alimentaires : étude du polymorphisme et de la mobilité des gènes stx

Role of Stx phage in the diversity of Shiga toxin producing Escherichia coli (STEC) O26 : H11 strains isolated from food products : study of polymorphism and genetic mobility of stx genes

• Auteur / Autrice : Ludivine Bonanno
• Direction : Frédéric Auvray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des aliments
• Date : Soutenance le 03/11/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de sécurité des aliments de Maisons-Alfort et de Boulogne-sur-Mer - Laboratoire de sécurité des aliments de Maisons-Alfort
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Augustin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Auvray, Valérie Michel, Didier Majou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mickaël Desvaux, Hubert Brugère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments -- Contamination

Escherichia coli

Bactériophages

Escherichia coli producteur de shiga-toxines

Mots clés libres

Stec

Shiga-Toxine

Bactériophages

Diversité

Aliments

O26:h11

Stec

Shiga-Toxin

Bacteriophages

Diversity

Food

O26:h11

Résumé

Les Escherichia coli producteurs de Shiga-toxines (STEC) sont responsables d'infections humaines, allant d'une diarrhée aqueuse bénigne pouvant se compliquer en syndrome hémolytique et urémique (SHU), parfois mortel. La transmission de STEC à l'Homme s'effectue principalement par l'ingestion d'aliments contaminés. Le principal facteur de virulence des STEC est le gène stx (codant la Shiga-toxine), localisé dans le génome d'un prophage. La thèse a été centrée sur les STEC O26:H11, deuxième sérotype à l'origine de SHU dans le monde, et premier retrouvé dans les fromages au lait cru.Le premier objectif était de caractériser génétiquement les STEC O26:H11 et leurs phages Stx (variants du gène stx et sites d'insertion des phages Stx) afin d'identifier d'éventuelles différences entre ces souches selon leur origine. La majorité des souches alimentaires et bovines étudiées possèdent le variant stx1a et leurs phages Stx sont intégrés dans wrbA et yehV. Les souches humaines possèdent les variants stx1a et stx2a en proportions équivalentes. Leurs phages Stx sont aussi intégrés dans wrbA et yehV mais à la différence des souches alimentaires et bovines, le site yecE a été identifié comme site d'insertion. Toutes les souches humaines qui possédaient un phage Stx2a intégré dans wrbA et yecE ont causé des SHU ; ce qui pourrait être un indicateur de haute virulence. Des études ont montré que des souches E. coli Attachant/Effaçant (AEEC) O26:H11 sont isolées à partir d'aliments identifiés comme « stx+ » par PCR. En dehors de l'absence du gène stx, ces souches AEEC sont similaires aux STEC. Leur caractérisation a montré ici que la majorité d'entre elles ont leurs sites d'insertion intacts, caractéristique compatible avec une perte de phage Stx par excision spontanée. La stabilité des phages Stx a donc été évaluée chez les STEC O26:H11. La présence/absence de phages Stx a été quantifiée par PCRq pour chaque souche au niveau de la population bactérienne entière montrant que les STEC ont la capacité de perdre leurs phages Stx. En revanche, cette instabilité n'est pas liée aux sites d'insertion. Plusieurs essais visant à introduire des phages Stx dans les souches AEEC pour les convertir en STEC ont été réalisés mais les résultats ont montré qu'il était difficile d'infecter ces souches. L'étude du taux d'induction des phages Stx in vitro chez les STEC O26:H11 a montré, qu'en présence de mitomycine C, les phages Stx2 étaient plus inductibles que les phages Stx1. En revanche, il n'a pas été mis en évidence de différences en fonction de l'origine des souches testées et du site d'intégration des phages Stx. L'analyse morphologique de quelques phages Stx a montré que le type Stx1 ou Stx2 n'était pas lié à une forme spécifique de phage. L'étude des stress relatifs à la technologie fromagère a montré que le stress salin et le stress oxydatif, lié à la libération potentielle d'H2O2 par d'autres bactéries, entrainaient l'induction des phages Stx. Comme des souches AEEC sont fréquemment isolées à partir d'aliments qualifiés de « stx+» par PCR, le processus analytique d'isolement des STEC a aussi été étudié. La production de phages Stx lors de la phase d'enrichissement semble possible à partir d'un aliment contaminé. En revanche, aucun composant de cette méthode, testé individuellement, n'a pu être identifié comme inducteur des phages Stx. Ces travaux ont permis d'acquérir des connaissances sur la diversité des phages Stx issus de STEC O26:H11 isolées chez l'Homme et dans la filière laitière. Des différences au niveau des variants du gène stx mais aussi des sites d'insertion des phages Stx ont pu être observées en fonction de l'origine des souches. De plus les niveaux d'induction des phages Stx diffèrent selon le variant du gène stx. Ces différences pourraient refléter l'existence de clones distincts, aux potentiels de virulence différents, circulant dans les aliments, chez les bovins et les patients

Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) are responsible for human infections, ranging from mild diarrhea to hemolytic-uremic syndrome (HUS), sometimes with fatal outcome. Transmission of STEC to humans occurs mainly through the ingestion of contaminated food. The main virulence factor of STEC is the stx gene (encodes Shiga-toxin) located in the genome of a prophage. The PhD thesis was focused on STEC O26:H11, which is the second serotype causing HUS in the world, and the first one found in raw milk cheeses. The first objective was to characterize genetically STEC O26:H11 strains and their Stx phages (stx gene subtypes and insertion sites of Stx phages) in order to identify any differences between these strains according to their origin. The majority of the investigated food and bovine strains possessed stx1a subtype and their Stx phages were integrated into wrbA and yehV. Human strains possessed the stx1a and stx2a subtypes in equivalent proportions. Their Stx phages were also integrated into wrbA and yehV but unlike food and bovine strains, yecE site were identified as insertion site. All the human strains carrying an Stx2a phage integrated into wrbA and yecE caused HUS, which could indicate a high virulence. Studies showed that Attaching/Effacing E. coli (AEEC) O26:H11 strains were isolated from foods identified as ''stx +'' by PCR. Except for the absence of stx gene, these AEEC strains are similar to STEC. Their characterization showed, in this study, that the majority of them had intact insertion sites, in agreement with a possible loss of Stx phage by spontaneous excision. The stability of Stx phages was evaluated in STEC O26:H11. Presence/absence of Stx phages was quantified for each strain in the total bacterial population, showing that STEC were capable of losing their Stx phages. However, this instability was not related to the insertion sites. Several attempts to introduce Stx phages in AEEC strains in order to convert them into STEC were conducted but the results showed that it was difficult to infect these strains. The induction rate of Stx phages in vitro in STEC O26:H11 showed that, with mitomycin C, the Stx2 phages were more inducible than Stx1 phages. However no difference was found with the origin of the strains tested and the Stx phage integration site used. The morphological analysis of some Stx phages showed that Stx1 or Stx2 type was not related to a specific phage shape. Study of various stress related to the cheese-making process showed that the osmotic and oxidative stress related to the potential release of H2O2 by other bacteria, led to the induction of Stx phages. Because AEEC strains are frequently isolated from food qualified as ''stx+'' by PCR, the analytical STEC isolation procedure was studied for its ability to induce Stx phages. Production of Stx phages during the enrichment phase seemed possible from contaminated food. However, none of the components of this method, tested individually, could be identified as an inducer of Stx phages. This work highlighted the diversity of Stx phages from STEC O26:H11 isolated from humans and dairy sector. Differences in stx subtypes and Stx phages insertion sites present among the STEC O26:H11 strains were observed depending on the origin of the strains. Moreover the induction levels of Stx phages differed according to the stx subtypes. These differences might reflect the existence of distinct clones, with varying virulence potential, circulating in foods, cattle and patients