Les multiples interactions entre bactériophages et bactéries dans l'intestin

Intestinal phage-bacteria interactions across scales

• Auteur / Autrice : Quentin Lamy-Besnier
• Direction : Laurent Debarbieux, Martial Marbouty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Bactériophage, bactérie, hôte (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Microbiologie (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Martin-Verstraete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Junier, Laurence Armand-Lefèvre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Colin Hill, Frédérique Le Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intestins -- Maladies

Modèles animaux

Microflore

Bactériophages

Mots clés libres

Bactériophage

Microbiote

Modèle animal

Mécanismes moléculaires

Infections intestinales

Bacteriophage

Microbiota

Animal model

Molecular mechanisms

Intestinal diseases

Résumé

La santé humaine est liée à la composition du microbiote intestinal, au sein duquel les bactéries et les bactériophages, des virus qui infectent les bactéries, sont les entités les plus abondantes. Mais au-delà des études sur l'abondance des bactéries et des bactériophages, leurs interactions dynamiques dans le système digestif restent majoritairement inconnues et difficiles à étudier. Au cours de cette thèse, j'ai participé à l'étude de ces interactions à différentes échelles en menant des expériences in silico, in vitro et in vivo. Tout d'abord, nous avons développé la VHRdb (Viral Host Range database), une base de données publique qui permet de répertorier, analyser et partager les résultats de spectre d'hôte des virus, permettant de rapidement identifier quel virus infecte quel hôte. Ensuite, nous avons mis en œuvre une approche innovante nommée 3C ou HiC (Chromosome Conformation Capture) pour décrire la structure et le métabolisme des bactéries dans l'intestin. Pour ceci nous avons utilisé des souris gnotobiotiques (OMM12) colonisées par un microbiote synthétique. L'analyse conjointe de données de 3C et de séquençage de virome a permis d'élucider le niveau de base et la dynamique de la communauté virale de ce modèle animal. De plus, nous avons introduit dans les souris OMM12 des bactéries commensales (Escherichia coli) ou pathogènes (Citrobacter rodentium, Salmonella Typhimurium) et nous avons étudié leurs conséquences sur les interactions bactériophage-bactérie. Nous avons également démontré que l'administration prophylactique de bactériophages diminue les symptômes induits par une infection par Salmonella. Enfin, nous avons identifié une nouvelle recombinase de bactériophage impliquée dans l'adaptation des bactériophages à différentes bactéries intestinales. Ensemble, ces résultats illustrent comment l'hôte, les bactéries et les bactériophages interagissent et s'influencent dans l'écosystème intestinal. Ils définissent aussi les futures études nécessaires pour développer l'utilisation thérapeutique des bactériophages afin de moduler le microbiote entérique ou de traiter les infections intestinales.

Human health is linked to the stable composition of the intestinal microbiota, which most abundant components are bacteria and bacteriophages (phages), i.e. viruses infecting bacteria. Beyond reports on the abundance and diversity of bacteria and phages, their dynamic interactions within the digestive tract remain largely unknown and difficult to study. In this thesis, I participated in the study of phage-bacteria interactions at different scales by performing in silico, in vitro and in vivo experiments. First, we setup the VHRdb, a public Viral Host Range database to store, analyze and share the results of phage-bacteria interactions in order to quickly answer the question of which virus infect which host. Second, we applied an innovative approach termed 3C or HiC (Chromosome Conformation Capture) to decipher the structure and metabolism of bacteria within the intestine of the OMM12 mice model, a gnotobiotic mouse colonized by a synthetic microbiota. The joint analysis of 3C and virome sequencing data described the baseline and the dynamics of the viral community of this animal model. Next, we challenged OMM12 mice with either commensal (Escherichia coli) or pathogenic (Citrobacter rodentium, Salmonella Typhimurium) bacteria and recorded the consequences on phage-bacteria interactions. We showed that the prophylactic administration of phages reduces the symptoms induced by Salmonella infection. Last, we identified a new phage recombinase involved in phage adaption to different intestinal bacteria. Collectively, these results shed light on how the host, the bacteria and the phages interact and influence each other within the intestinal ecosystem. This thesis points to future investigations for developing the use of phages as therapeutics to modulate the intestinal microbiota or treat enteric infections.