Étude des relations entre les Coxiella endosymbiotiques, leurs hôtes tique et C. burnetii, l'agent de la Fièvre Q

Study of the relationships between Coxiella endosymbionts, their tick host and Coxiella burnetii, the agent responsible for Q fever disease

• Auteur / Autrice : Olivier Morel
• Direction : Lionel Zenner, Fabrice Vavre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 09/11/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive
• Jury : Président / Présidente : Dominique Pontier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Zenner, Fabrice Vavre, Matteo Bonazzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mylène Weill, Emmanuelle Jousselin, Maarten Voordouw

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fièvre Q

Tiques

Coxiella burnetii

Coxiella

Mots clés libres

Symbiotes de tiques

Coxiella-LE

C. burnetii

Virulence

Génomique comparative

Tick symbionts

Coxiella-LE

C. burnetii

Virulence

Comparative genomic

Résumé

Parmi les arthropodes, les tiques sont les plus importants vecteurs de pathogènes en termes de diversité et sont la première cause de transmission de maladies vectorielles en Europe et Amérique du Nord. Si ces pathogènes font l'objet de nombreux travaux, les tiques hébergent aussi d'autres symbiotes qui contribuent de manière importante à leur phénotype. Au cours des dernières années, de nombreuses bactéries symbiotiques ont ainsi été recensées chez les tiques. Parmi celles-ci des bactéries présentant une forte homologie avec Coxiella burnetii ont été découvertes. Contrairement à C. burnetii, l'agent responsable de la fièvre Q, les Coxiella-like endosymbiotiques (Coxiella-LE) ne semblent pas capables d'infecter d'autres hôtes que les tiques. Elles font partie des symbiotes à transmission maternelle les plus répandus chez les espèces de tiques et pourraient jouer un rôle important dans la biologie de ces arthropodes. Des premiers éléments suggèrent en effet, que les Coxiella-LE pourraient avoir un rôle nutritionnel en synthétisant vitamines B et cofacteurs absents de l'alimentation de leur hôte tique. Pour comprendre les relations entretenues entre les Coxiella-LE et leurs hôtes je me suis intéressé,au cours de mes travaux de thèse, a l'évolution du genre Coxiella. Pour cela des approches d'analyses phylogénétiques et de génomique comparative ont été utilisées. J'ai ainsi participe à l'établissement de la phylogénie du genre Coxiella par Multi-Locus Sequence Typing (MLST), qui a permis de mettre en évidence la diversité de ce genre bactérien. De manière intéressante C. burnetii émerge au sein d'un de ces clades de bactéries endosymbiotiques de tiques, ce qui semble témoigner d'une récente transition vers la pathogénie. Nous avons séquencé deux nouveaux génomes de Coxiella-LE afin de réaliser une étude de génomique comparative. Tous les génomes de Coxiella étudiés, y compris ceux de C. burnetii, possèdent les gènes nécessaires à la biosynthèse des vitamines B et des cofacteurs, retrouvés habituellement chez les symbiotes nutritionnels d'arthropodes hématophages. Cette découverte renforce l'idée d'un rôle important des Coxiella-LE pour leur hôte tique et, d'après la phylogénie, l'ancêtre commun de ces bactéries serait donc un endosymbiote mutualiste de tique. Pourtant des traces de gènes impliqués dans la virulence de Coxiella burnetii ont été retrouvées dans des génomes appartenant à des clades distincts de Coxiella-LE, ce qui semble plutôt indiquer des pertes récurrentes de la virulence. De plus, différents niveaux d'érosion génomique sont retrouvés dans les génomes de Coxiella-LE étudiés, ce qui indiquerait de fréquents transferts d'hôtes. De tels transferts expliqueraient l'absence de co-cladogenese entre la phylogénie des Coxiella-LE et celle de leur hôte, une caractéristique originale pour un symbiote qui semble obligatoire. Par ailleurs, plusieurs symbiotes à transmission maternelle peuvent être retrouvés chez les tiques, le deuxième axe de ma thèse s'intéresse à l'impact de ces co-infections. Pour cela une population de tiques appartenant à l'espèce Dermacentor marginatus a été étudiée. Cette espèce est, en effet, fréquemment infectée par des bactéries Coxiella-LE, Rickettsia et Spiroplasma et différents statuts d'infection peuvent être observés chez les individus. Aucune compétition n'a été démontrée entre ces bactéries, puisqu’aucune n'interfère avec la transmission et la densité des autres. Néanmoins, en cas de triple infection, la valeur adaptative des hôtes est fortement diminuée avec une réduction importante de leur taille (10%). La transmission verticale de ces symbiotes n'étant pas complète, il devient alors difficile de comprendre comment ces bactéries atteignent de si fortes prévalences au sein de la population avec des coûts associés aussi importants [etc…]

Among arthropods, ticks are the most important vectors of pathogens in terms of diversity and are the leading cause of transmission of vector-borne diseases in Europe and North America. While these pathogens are the most studied, ticks also harbor other symbionts that contribute significantly to their phenotype. Recently many symbiotic bacteria have been described in ticks. Among them, bacteria exhibiting strong homology with Coxiella burnetii have been discovered. Unlike C. burnetii, the causative agent of Q fever, Coxiella-Like Endosymbiont (Coxiella-LE) seems unable to infect other hosts than ticks. They are among the most widespread maternally-inherited symbionts in tick species and could play an important role in their biology. Coxiella-LE may indeed have a nutritional role by synthesizing B vitamins and cofactors absent from their host's diet. To understand the interaction between Coxiella-LE and their hosts, my thesis work focused on the evolution of the Coxiella genus. For this purpose, phylogenetic analyzes and comparative genomic approaches have been carried out. I have participated in the establishment of the phylogeny of the Coxiella genus by Multi-Locus Sequence Typing (MLST), which highlights the diversity of this bacterial genus. Interestingly C. burnetii emerges within one of these clads of tick endosymbiotic bacteria, which may suggest a recent transition towards pathogenicity. Two new genomes of Coxiella-LE were sequenced to perform comparative genomic analyses. All Coxiella genomes studied, including those of C. burnetii, possess the genes encoding for the biosynthesis of B vitamins and cofactors, as usually found in nutritional symbionts of blood-sucking arthropods. This result strengthens the idea of an important role of Coxiella-LE for their host ticks and, according to the phylogeny, the common ancestor of these bacteria was therefore a mutualistic tick endosymbiont. However, traces of genes involved in the virulence of C. burnetii have been found in genomes belonging to distinct clads of Coxiella-LE, which rather indicate recurrent losses of virulence. Moreover, different levels of genomic erosion are found in the genomes of Coxiella-LE studied, which could indicate different transitions towards the mutualistic way of life. Such recurrent transfers would explain the absence of cocladogenesis between Coxiella-LE and their host phylogeny, an uncommon feature for an obligatory symbiont. As several maternally-inherited symbionts can be found in ticks, the second axis of my thesis has focused on the impact of co-infections. For this purpose, a population of ticks belonging to the species Dermacentor marginatus was studied. This species is frequently infected with Coxiella-LE, Rickettsia and Spiroplasma bacteria and different infection status can be observed in individuals from a single population. No competition has been demonstrated between these bacteria, since none interferes with the transmission and density of the others. However, in case of triple infection, the fitness of the host appears greatly reduced with a significant reduction in size (10%). Since vertical transmission of these symbionts is incomplete, understanding how these symbionts and co-infections are maintained despite this significant cost remains an open question. If the symbiotic strategies of these symbionts are still unknown, it is likely that their transmission is not only maternal, but also horizontal [etc…]