Émergence d'une nouvelle espèce bactérienne : Bacillus anthracis, responsable de la maladie du charbon

Emergence of a new bacterial species : Bacillus anthracis, responsible for anthrax

• Auteur / Autrice : Mehdi Abdelli
• Direction : Jacques Oberto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Évolution
• Date : Soutenance le 14/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Carlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Perrière, Gwennaële Fichant, Alice Château, Didier Lereclus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Perrière, Gwennaële Fichant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Origine des espèces

Métagénomique

Bacillus anthracis

Mots clés libres

Evolution

Métagénomique

Bacillus anthracis

Bioinformatique

Plasmide

Espèce

Evolution

Metagenomics

Bacillus anthracis

Bioinformatics

Plasmid

Species

Résumé

Bacillus anthracis est la bactérie responsable de la maladie du charbon et demeure une préoccupation majeure de la lutte contre le bioterrorisme. La virulence de cette bactérie hautement pathogène est portée en large part par des plasmides. Son génome résulte en effet d'un assemblage chromosome-plasmides perpétué par l'existence de conditions favorables au maintien de la bactérie pathogène dans un écosystème. Les éléments de connaissance actuels ne permettent pas d'établir le lieu d'origine de cet assemblage. D'où viennent ces plasmides ? Où sont les niches écologiques ? L'existence de plasmides similaires au sein d'espèces appartenant au même groupe Bacillus cereus est une indication encourageant la reconstitution de telles chronologies encore très incomplètes.De prime abord, nous avons caractérisé plusieurs lots de souches du groupe B. cereus pour déterminer leur pathogénicité, leur potentielle acquisition de plasmides et leur position phylogénétique vis-à-vis de B. anthracis. Cela a amené à détecter les souches du groupe B. cereus qui sont actuellement les plus proches voisines connues de B. anthracis. Cet enrichissement du voisinage a été déterminant dans la suite des travaux, qui ont consisté à s'intéresser à l'émergence de B. anthracis. En effet, la meilleure connaissance de son voisinage a permis de situer l'apparition de l'ancêtre de B. anthracis. En outre, de nouveaux types de miniréplicons relatifs aux plasmides du groupe B. cereus ont été observés dans les proches voisins découverts. Leur analyse a permis d'émettre des hypothèses sur l'acquisition de ces derniers au cours de l'histoire évolutive du groupe B. cereus, et a fortiori sur l'acquisition de certains facteurs de virulence. Le modèle d'émergence établi pour le pathogène B. anthracis s'avère transposable à d'autres espèces clonales, pathogènes pour l'Homme et très proches d'espèces environnementales (par exemple Yersinia pestis, Mycobacterium tuberculosis, Brucella ou Francisella tularensis).L'émergence clonale récente de B. anthracis observée dans la première partie des travaux, indiquant une apparition dans une région géographique spécifique (forêt Centre-Africaine), a motivé la recherche de nouvelles souches de B. anthracis dans des données métagénomiques. En principe, la démarche est simple, et plusieurs outils bioinformatiques performants permettent d'inventorier une masse de données génétiques. Ces outils utilisent des génomes de références et une taxonomie, pour assigner chacun des tronçons de séquence à un niveau taxonomique. Cependant, les inventaires produits qui, globalement, sont très précis, peuvent être inexacts pour les évènements rares. C'est particulièrement le cas pour la détection de pathogènes, dont B. anthracis. Ainsi, certaines études ont conclu à sa présence dans des environnements urbains. Dans ce cas, l'erreur d'interprétation résultait principalement de l'insuffisance des bases de données de référence. Un pipeline de détection dans des échantillons métagénomiques a donc été conçu. Un jeu de données test a également été mis en place, avec l'élaboration de métagénomes environnementaux enrichis par B. anthracis et/ou des souches du groupe B. cereus et/ou d'autres agents pathogènes, pour tester la sensibilité et la spécificité du pipeline. Cet ensemble de données pourra par ailleurs servir de manière générale à l'évaluation future d'outils de détection de B. anthracis. Sur la base de ce nouvel outil, une recherche massive a été opérée dans des échantillons métagénomiques publics. Là encore, la démarche peut être généralisée et ce pipeline de détection est transposable à d'autres pathogènes pour l'Homme.

Bacillus anthracis is the bacterium responsible for anthrax, and remains a major concern in the fight against bioterrorism. The virulence of this highly pathogenic bacterium is largely mediated by plasmids. Its genome is the result of a chromosome-plasmid association perpetuated by the existence of conditions favorable to the maintenance of the pathogenic bacterium in an ecosystem. Current knowledge does not allow to determine the origin of this assembly. Where do these plasmids come from? Where are the ecological niches? The existence of similar plasmids within species belonging to the same Bacillus cereus group is an indication that our understanding of such chronologies are still very incomplete.As a first step, we characterized several sets of B. cereus group strains to determine their pathogenicity, potential plasmid acquisition and phylogenetic position towards B. anthracis. It led to the detection of the closest known neighbors of B. anthracis described so far. This enrichment of the neighborhood was decisive in the subsequent work, which focused on the emergence of B. anthracis. The better understanding of the B. anthracis neighborhood enabled us to better position the appearance of the B. anthracis ancestor. In addition, new types of minireplicons relating to B. cereus group plasmids were observed in the close neighbors discovered. Their analysis has led to hypotheses on the acquisition of these plasmids during the evolutionary history of the B. cereus group, and on the acquisition of some virulence factors. The emergence model established for the B. anthracis pathogen can be transposed to other clonal species, pathogenic to humans and closely related to environmental species (e.g. Yersinia pestis, Mycobacterium tuberculosis, Brucella or Francisella tularensis).The recent clonal emergence of B. anthracis observed in the first part of the work, indicating an appearance in a specific geographical region (Central African forest), motivated the search for new B. anthracis strains in metagenomic data. In principle, the approach is straightforward, and several high-performance bioinformatics tools can be used to inventory a mass of genetic data. These tools use reference genomes and a taxonomy to assign each sequence read to a taxonomic level. However, if the produced inventories are generally highly accurate, they also can be unadapted for rare events. This is particularly the case for the detection of pathogens, such as B. anthracis. For example, some studies have concluded that B. anthracis is present in urban environments. In this case, the misinterpretation was mainly due to inadequate reference databases. Therefore, a detection pipeline for metagenomic samples was designed. A test dataset was also set up, with the development of environmental metagenomes spiked by B. anthracis and/or B. cereus group strains and/or other pathogens, to test the sensibility and the sensitivity of the pipeline. More generally, this dataset could be used for the evaluation of future similar tools. A massive search was carried out in public metagenomic samples using this new tool. Again, the approach can be generalized, and this detection pipeline can be transposed to other human pathogens.