Un nouveau type de mort cellulaire impliqué dans l’élimination des bactériocytes chez les pucerons : Mécanismes moléculaires et régulations physiologiques

par Mélanie Ribeiro Lopes

Thèse de doctorat en Biologie des organismes symbiotiques

Sous la direction de Federica Calevro.

Soutenue le 09-12-2020

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de BF2I - Biologie Fonctionnelle Insectes et Interactions (Lyon, INSA) (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuelle Jousselin.

Le jury était composé de Federica Calevro, Emmanuelle Jousselin, Bruno Favery, Denis Tagu, Marilyne Uzest, Patrick Callaerts, Nicolas Parisot.

Les rapporteurs étaient Bruno Favery, Denis Tagu, Marilyne Uzest.


  • Résumé

    Les associations symbiotiques sont un moteur majeur de la diversification écologique et évolutive des organismes métazoaires. Chez les insectes qui sont physiologiquement dépendant de bactéries symbiotiques intracellulaires, ces dernières sont hébergées dans un nouveau type cellulaire, les bactériocytes. Ces cellules constituent une énigme fascinante en biologie cellulaire et développementale, les mécanismes moléculaires gouvernant leur dynamique en réponse à la physiologie de l’hôte restant largement méconnue. Dans cette étude, nous avons utilisé la symbiose entre le puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) et la bactérie Buchnera aphidicola comme système modèle pour l’étude de la mort cellulaire bactériocytaire. Nous avons montré que, à partir des phases de vie adultes, les bactériocytes sont éliminés par un processus très lent de mort cellulaire non apoptotique, qui commence par l'hypervacuolisation du réticulum endoplasmique et implique une cascade de réponses au stress cellulaire, dont l’activation des systèmes autophagique et lysosomale. Nous avons mis en relation cette mort cellulaire avec une importante expansion des gènes codant les protéines Inhibitrices de l’APoptose (IAP) chez le puceron du pois, avec 28 gènes, contre les quatre identifiés chez Drosophila melanogaster. Des analyses génomiques comparatives ont révélé que cette expansion est commune et spécifique aux groupes des pucerons, et est associée à l’émergence d’innovations structurales au sein des IAP. Nous avons confirmé le rôle anti-apoptotique de plusieurs de ces IAP dans des expériences d'expression hétérologues dans l'œil en développement de D. melanogaster. Nous avons également montré que l’expression des gènes correspondants est induite de manière spécifique durant la mort cellulaire bactériocytaire. Cela suggère qu’au moins une partie des IAP, dans le contexte de la symbiose, aurait acquis de nouvelles fonctions, avec un rôle spécifique chez les bactériocytes, où leur induction bloquerait l’apoptose et assurerait la permanence de ces cellules et de leurs symbiotes jusqu’aux phases sénescentes de la vie de l’insecte. En accord avec cette hypothèse, nous avons montré que l’inactivation de ces gènes par RNAi, chez le puceron du pois, entraînait l’apparition d’un phénotype bactériocytaire faisant penser à de l’apoptose. Enfin, une étude transcriptomique à haut débit, suivant les bactériocytes des stades nymphaux jusqu’à la sénescence des pucerons, nous a permis d’identifier de possibles inducteurs et/ou régulateurs de la mort cellulaire bactériocytaire parmi lesquels les gènes de la voie UPR, connue pour être activée en cas de stress du réticulum endoplasmique et capable d’induire l’expression des IAP.

  • Titre traduit

    A new type of cell death involved in bacteriocyte elimination in aphids : Molecular mechanisms and physiological regulations


  • Résumé

    Symbiotic associations are a major driver of the ecological and evolutionary diversification of metazoan organisms. In insects that are physiologically dependent on intracellular symbiotic bacteria, the latter are housed in a new cell type, bacteriocytes. These cells constitute a fascinating enigma in cell and developmental biology, the molecular mechanisms governing their dynamics in response to host physiology remaining largely unknown. In this study, we used the symbiosis between the pea aphid (Acyrthosiphon pisum) and the bacterium Buchnera aphidicola as a model system for the study of bacteriocyte cell death. We have shown that, in adult aphids, bacteriocytes are eliminated by a very slow process of non-apoptotic cell death, which begins with a hypervacuolization of the endoplasmic reticulum and involves a cascade of cellular stress responses, including activation of the autophagic and lysosomal systems. We have linked this cell death with a significant expansion of the genes encoding the Inhibitor of APoptosis (IAP) proteins in the pea aphid, with 28 genes, against the four identified in Drosophila melanogaster. Comparative genomic analyzes have revealed that this expansion is common and specific of aphids, and is associated with the emergence of structural innovations within IAPs. We have confirmed the anti-apoptotic role of several of these IAPs in heterologous expression experiments in the developing eye of D. melanogaster. We have also shown that the expression of the corresponding genes is specifically induced during bacteriocyte cell death. This suggests that at least some of the IAPs, in the context of symbiosis, would have acquired new functions, with a specific role in bacteriocytes, where their induction could block apoptosis and ensure the permanence of these cells and their symbionts until the senescent phases of the insect's life. In agreement with this hypothesis, we have shown that the inactivation of these genes by RNAi, in the pea aphid, leads to the appearance of a phenotype reminiscent of apoptosis in bacteriocytes. Finally, a high-throughput transcriptomic study, following bacteriocytes from the nymphal stages to the senescence of aphids, allowed us to identify possible inducers and / or regulators of bacteriocyte cell death, including genes of the UPR pathway, known to be activated in the event of endoplasmic reticulum stress and capable of inducing the expression of IAPs.

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Informations

  • Sous le titre : Un nouveau type de mort cellulaire impliqué dans l'élimination des bactériocytes chez les pucerons : Mécanismes moléculaires et régulations physiologiques
  • Détails : 1 vol. (170 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.136-153
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