Immunité bactérienne et épidémiologie évolutive des phages

par Hélène Chabas

Thèse de doctorat en Sciences de l'évolution et de la Biodiversité

Sous la direction de Sylvain Gandon et de Sébastien Lion.

Le président du jury était Samuel Alizon.

Le jury était composé de Sylvain Gandon, Sébastien Lion, Rafael Sanjuan, Mireille Ansaldi, Marie-Agnès Petit.

Les rapporteurs étaient Rafael Sanjuan, Mireille Ansaldi.


  • Résumé

    Les êtres vivants sont confrontés à des parasites qui diminuent leur fitness et se répandent dans la population. En réponse, les hôtes ont développé de nombreuses défenses immunitaires qui sont souvent mises en défaut par l'évolution des parasites. Ces défenses sont de plus souvent extrêmement diversifiées génétiquement. Quel est donc l'apport de la diversité génétique des défenses contre l'évolution des parasites ? Répondre à cette question expérimentalement nécessite un système biologique pour lequel on peut étudier la diversité génétique de l'hôte et l'évolution et la propagation du parasite. Les systèmes bactéries/phages sont de bons candidats pour une telle étude : leur manipulation au laboratoire est aisée, leurs cycles de vie sont rapides et ils ont de forts taux de mutation. La découverte récente de l'immunité CRISPR--Cas a ouvert de nombreuses possibilités : cette dernière a la propriété unique de générer dans le même fond génétique que l'hôte sensible de nombreux allèles de résistance. De plus, son mécanisme de fonctionnement reposant sur une interférence à ARN, la cible d'une résistance est très précisément connue ainsi que les possibilités de la contourner. Ce système permet donc l'étude expérimentale de l'impact de la diversité génétique sur la propagation et l'évolution des parasites, et sur la co-évolution antagoniste. Dans cette thèse, nous cherchons à 1) déterminer l'impact de la composition de la population d'hôtes sur la probabilité qu'une épidémie créée par un virus mutant ait lieu (émergence évolutive), 2) expliciter les causes de l'hétérogénéité de durabilité des résistances et 3) étudier la dynamique co-évolutive entre population génétiquement diversifiée d'hôtes et de parasites. Nous montrons que la composition de la population d'hôtes module fortement la probabilité d'émergence évolutive : une faible diversité génétique associé à un taux intermédiaire d'hôtes sensibles maximisant la probabilité d'émergence évolutive. Dans un second temps, nous montrons que l'immunité CRISPR génère des résistances dont la durabilité est hétérogène et cette hétérogénéité ne peut pas être expliquée par une hétérogénéité des fitness des mutants contournant CRISPR. Enfin, nous montrons que la diversité des résistances est maintenue à court terme par l'hétérogénéité des populations de parasites et que la dynamique co-évolutive est accélérée en présence d'une population génétiquement diverse. Enfin, nous proposons des pistes de recherche qu'il nous parait intéressant d'étudier dans le futur.

  • Titre traduit

    Bacterial immunity and phages evolutionary epidemiology


  • Résumé

    Living organisms face parasites which decrease their fitness and spread into their population. In response, hosts have evolved countless immune defenses that are often circumvented by parasite evolution. These defenses are usually extremely diverse. What is the impact of such genetic diversity on the protection against the evolution of parasites? Answering this question experimentally requires an experimental system in which host genetic diversity and parasite evolution and spreading can be monitored. Phages and bacteria systems are ideal candidates for such studies as their handling is easy in the lab, their life cycle is short and their mutation rates is high. The recent discovery of CRISPR--Cas immunity has opened many possibilities. Indeed, this immunity has the unique property to generate in the same genetic background as the sensitive host, numerous resistant alleles. In addition, it relies on an interference--RNA-like pathway, which results in the precise understanding of phage bypassing and in the ability to predict the targeted sequence. This system hence allows the experimental study of the impact of host genetic diversity on the epidemiology and the evolution of parasites and on antagonist coevolution. In this PhD, we 1) study how the host population composition impacts the probability of an epidemic created by an escape mutant (evolutionary emergence), 2) try to understand the causes of the heterogeneity in durability of resistances and 3) monitor the coevolution dynamic between genetically diverse populations. We show that the composition of the host population impacts the probability of evolutionary emergence: a low resistances diversity with an intermediate proportion of sensitive hosts maximises the probability of evolutionary emergence. Second, we show that CRISPR--Cas resistances are heterogeneous in their durability and this is not explained by the heterogeneity of escape mutants fitness. Third, we show that resistances diversity is conserved in a short term by parasites genetic diversity and that the coevolutionary dynamic is fastened by parasite intra-specific genetic diversity. Finally, we discuss research questions that we find interesting to develop in the near future.

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