Analyse bioinformatique de l'organisation structurale et fonctionnelle des génomes de deux micro-organismes pathogènes, la bactérie opportuniste Acinetobacter baumannii et le champignon Fusarium graminearum

Bioinformatics analysis of the structural and functional organization of the genomes of two pathogenic microorganisms, the opportunistic bacterium Acinetobacter baumannii and the fungus Fusarium graminearum

• Auteur / Autrice : Tarek Alouane
• Direction : Thierry Langin, Ludovic Bonhomme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique
• Date : Soutenance le 19/07/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales
• Jury : Président / Présidente : Hanae Abdelmoumen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Azeddine Ibrahimi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc-Henri Lebrun, Diana Fernandez, Laila Sbabou, Mouna Ouadghiri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génomique comparative

Acinetobacter baumannii

Fusarioses

Mots clés libres

Fusarium graminearum

Acinetobacter baumannii

Génomique comparative

Pangénome

Virulence

Résistance aux antimicrobiens

Fusarium graminearum

Acinetobacter baumannii

Comparative genomics

Pangenome

Virulence

Antimicrobial resistance

Résumé

Les micro-organismes pathogènes, sont responsables, chaque année, de maladies entrainant de graves conséquences sanitaires et économiques, et ce, en dépit des efforts importants déployés pour les contrôler. Parmi ceux-ci, la bactérie Acinetobacter baumannii, un pathogène nosocomial hautement résistant aux antibiotiques, conduisant parfois à une impasse thérapeutique, et provoquant des infections sévères allant de la pneumonie à de graves infections du sang, et le champignon Fusarium graminearum, responsable de la fusariose de l'épi (FHB), une maladie dévastatrice des céréales et en particulier du blé tendre, provoquant chaque année des pertes sévères de , en particulier via la production in planta de mycotoxines nocives pour la santé humaine et animale. Les épidémies causées par ces deux agents pathogènes sont aujourd’hui une préoccupation majeure dans le monde. En dépit de leur importance les questions sur l’ampleur de la variabilité intraspécifique des génomes de ces deux microorganismes, et la relation entre structure/fonction restaient encore peu documentées. Dans le cadre de cette Thèse, nous avons développé une approche de génomique comparative intra-espèce, basée sur le séquençage et l’analyse bioinformatique des génomes complets de souches européennes de F. graminearum, présentant différents niveaux d’agressivité et de souches marocaines d'A. baumannii multi-résistantes d’origine clinique (isolées de patients) et environnementale (milieu hospitalier). Cette stratégie nous a permis de construire le premier pangénome « ouvert » de l'espèce F. graminearum, élargissant (de 47 %) le répertoire de gènes connus dans le génome de référence. En comparant la diversité génétique et phénotypique des souches, nous avons trouvé que plus des deux tiers du total des gènes codant pour des protéines sécrétées, contribuant potentiellement à la pathogénicité, étaient systématiquement présents dans un core sécrétome, sans relation avec les différents niveaux d'agressivités des souches. La surreprésentation des motifs d'adressage au chloroplaste et au noyau des cellules végétales, identifiés dans les effecteurs fongiques, associée à leur localisation préférentielle dans les régions génomiques en évolution rapide de ce pathogène, suggèrent fortement que ces deux organites sont des cibles végétales clefs du processus de manipulation parasitaire. En parallèle, chez A. baumannii, nos analyses ont révélé la présence de multiples clones coexistant en milieu hospitalier marocain, avec la prédominance d’une lignée correspondant au clone international II. L'analyse comparative des génomes complets n'a révélé aucune expansion sélective du répertoire de gènes entre les souches environnementales et les souches cliniques. Toutes les souches partagent jusqu'à plus de 80 % de gènes de virulence. En outre, la diversité phénotypique de résistance aux antibiotiques des souches était cohérente avec la diversité de leurs résistomes reconstitués in silico, dont celui de la souche résistante à la colistine « antibiotique de dernier recours ».Les résultats obtenus au cours de ce travail de Thèse donnent un éclairage nouveau et original (1) sur la relation entre variabilité génomique intraspécifique et déterminisme génétique de la pathogénicité, et (2) sur le potentiel évolutif et adaptatif de ces deux micro-organismes pathogènes.

Pathogenic micro-organisms are responsible, every year, for diseases causing serious health and economic consequences, despite the significant efforts made to control them. Among these, the bacterium Acinetobacter baumannii, a nosocomial pathogen highly resistant to antibiotics, sometimes leading to a therapeutic impasse, and causing severe infections ranging from pneumonia to serious blood infections, and the fungus Fusarium graminearum, responsible for the Fusarium head blight (FHB), a devastating disease of cereals and soft wheat in particular, causing severe losses of, each year, in particular through the in planta production of mycotoxins harmful to human and animal health. Epidemics caused by these two pathogens are a major concern in the world today. Despite their importance, the questions on the extent of the intraspecific variability of the genomes of these two microorganisms and the relationship between structure/function still remained poorly documented. As part of this Thesis, we have developed an intra-species comparative genomics approach, based on the sequencing and bioinformatics analysis of the complete genomes of European strains of F. graminearum, presenting different levels of aggressiveness and Moroccan multidrug-resistant A. baumannii of clinical origin (isolated from patients) and environmental (hospital environment).This strategy allowed us to construct the first “open” pangenome of the species F. graminearum, expanding (by 47%) the repertoire of known genes in the reference genome. By comparing the genetic and phenotypic diversity of the strains, we found that more than two-thirds of the total genes coding for secreted proteins, potentially contributing to pathogenicity, were consistently present in a core secretome, unrelated to the different levels of strain aggressiveness. The overrepresentation of chloroplast and plant cell nucleus targeting motifs identified in fungal effectors, together with their preferential localization in the rapidly evolving genomic regions of this pathogen, strongly suggest that these two organelles are key plant targets of the parasitic manipulation process.In parallel, in A. baumannii, our analysis revealed the presence of multiple clones coexisting in Moroccan hospitals, with the predominance of a lineage corresponding to the international clone II. Comparative analysis of whole genomes revealed no selective gene repertoire expansion between environmental and clinical strains. All strains share up to more than 80% virulence genes. Moreover, the phenotypic diversity of the strains' antibiotic resistance was consistent with the diversity of their resistomes reconstituted in silico, including that of the colistin-resistant strain « last resort antibiotic ».The results obtained during this thesis work shed new and original light (1) on the relationship between intraspecific genomic variability and genetic determinism of virulence, and (2) on the evolutionary and adaptive potential of these two pathogenic microorganisms.