Contribution de l'intégration du gène blaOXA-48 dans la dissémination des clones ST38 d'Escherichia coli producteurs de carbapénémase

Selective forces involved in the emergence of carbapenemase producing E.coli and the role of chromosomal integration of antibiotic resistance genes

• Auteur / Autrice : Pengdbamba Dieudonné Zongo
• Direction : Isabelle Rosinski-Chupin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie et immunologie
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Génétique des génomes
• Jury : Président / Présidente : Guennadi Sezonov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eduardo Pimentel Cachapuz Rocha, Catherine Guynet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Lesterlin, Luce Landraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie génétique

Résistance aux antibiotiques

Carbapénèmases

Escherichia coli

Mots clés libres

E. coli ST38

Poxa-48

Évolution

Intégration

Oxa-48

Dissémination

E. coli ST38

Poxa-48

Evolution

Integration

Oxa-48

Dissemination

Résumé

Les carbapénèmes sont des ß-lactamines de dernière génération utilisées comme dernier recours dans le traitement des infections causées par les bactéries Gram négatifs multirésistantes. L'efficacité thérapeutique de cette classe d'antibiotiques est menacée avec l'apparition et la dissémination de clones résistants aux carbapénèmes dont certains sont porteurs de plasmides codant pour des carbapénémases, OXA-48 étant la carbapénémase prédominante en Europe. En France, les bactéries Escherichia coli productrices de carbapénémase les plus répandues appartiennent au séquence type (ST) 38, dans lequel le gène blaOXA-48 codant pour OXA-48 est essentiellement porté sur le chromosome. Ce qui est en opposition avec ce qui est généralement rencontré chez les Enterobacteriaceae où blaOXA-48 est généralement porté par un plasmide, pOXA-48, facilitant sa dissémination par conjugaison.L'objectif principal de ma thèse consistait à déchiffrer les mécanismes impliqués dans la l'émergence des clones E. coli ST38 exprimant une OXA-48 chromosomique. Pour ce faire, nous avons d'abord analysé la phylogénie des E. coli ST38 et montré que les bactéries exprimant une OXA-48 chromosomique se répartissaient en quatre clones, dans lesquels le transposon Tn6237, porteur du gène blaOXA-48, était inséré à des positions différentes dans le chromosome. Nous avons transféré par conjugaison trois variants cliniques du plasmide pOXA-48 dans trois isolats ST38 non porteurs de blaOXA-48. Nous avons observé que l'acquisition de ces plasmides entraînait un coût de fitness variable en fonction de la souche réceptrice, mais systématiquement associé à une instabilité. Nous avons ensuite effectué des évolutions expérimentales en présence de méropénème des différentes combinaisons plasmide/hôte et observé deux trajectoires évolutives différentes. La première consiste en l'intégration du gène blaOXA-48 dans un nouveau réplicon, ce qui abolit partiellement ou complètement le coût de fitness. La deuxième consiste en l'apparition convergente de mutations dans un opéron codant pour un nouveau système de défense antiplasmide, nommé ApsAB. Sa mutation entraîne une stabilisation du plasmide pOXA-48 et un gain de fitness variable en fonction de la souche. ApsAB cible aussi des plasmides de laboratoire à haut et bas nombre de copies. Nous avons montré que trois facteurs sont importants pour l'intégration de blaOXA-48 : un coût de fitness élevé induit par pOXA-48, la présence de blaOXA-48 dans une structure mobile, Tn6237, et la déstabilisation de pOXA-48 par ApsAB. ApsAB est trouvé dans différents phyla allant des Enterobacteriaceae aux cyanobactéries. Sa présence pourrait avoir un impact écologique sur la circulation des plasmides.

Carbapenems are the most recent generation of ß-lactam antibiotics, which are used as one of the last options to treat infections caused by multi-resistant Gram-negative bacteria. The emergence and spread of carbapenem-resistant clones containing plasmids coding for carbapenamases threatens the therapeutic efficacy of this class of antibiotics. OXA-48 is the most frequent carbapenemase in Europe. In France the most prevalent carbapenemase-producing Escherichia coli belong to the sequence type (ST) 38, in which the blaOXA-48 gene is mainly integrated into the chromosome. This contrasts with what is frequently observed in Enterobacteriaceae, where blaOXA-48 is carried by a plasmid, mainly the pOXA-48 plasmid, that facilitates its dissemination by conjugation.The main goal of my thesis was to understand the mechanisms involved in the emergence of E. coli ST38 clones expressing chromosomal OXA-48. To do this, we first analyzed the E. coli ST38 phylogeny. We showed that isolates with a chromosomal blaOXA-48 belonged to four clones, differing by the chromosomal location of the Tn6237 transposon carrying blaOXA-48. Then, we introduced by conjugation three different pOXA-48 clinical variants into three E. coli ST38 isolates not carrying blaOXA-48. The acquisition of these plasmids results in variable fitness costs depending on the recipient isolate always associated with a plasmid instability. We next performed in vitro evolution experiments in the presence of meropenem of the different plasmid/host combinations and observed two different evolutionary trajectories. The first one was the integration of the blaOXA-48 gene into the chromosome or the resident F-plasmid. It partially or completely abolishes the plasmid-induced fitness cost. The second one consisted in convergent mutations in an operon encoding a novel anti-plasmid defense system, we named ApsAB. apsAB mutation resulted in pOXA-48 stabilization and variable fitness improvements depending on the strain. ApsAB also targeted both high and low copy number laboratory plasmids. We showed that three factors were critical for the emergence of lineages with chromosomally integrated blaOXA-48: a high plasmid-induced fitness cost, the presence of blaOXA-48 in a Tn6237 structure and the destabilization of pOXA-48 plasmids by ApsAB. ApsAB is found in different phyla ranging from Enterobacteriaceae to Cyanobacteria. The presence of this anti-plasmid system might have an ecological impact on plasmid circulation.