Contribution de la virulence de Listeria monocytogenes à sa dissémination dans l'hôte et l'environnement

Contribution of virulence and the associated phenotypes in the transmission of Listeria monocytogenes

• Auteur / Autrice : Julien Gaillard
• Direction : Olivier Disson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie des Infections
• Partenaire(s) de recherche : Partenaires de recherche : Institut Pasteur. Département de Biologie cellulaire et infection (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Javier Pizarro-Cerdà
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Javier Pizarro-Cerdà
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cristel Archambaud, Stéphane Meresse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies infectieuses -- Transmission

Virulence (microbiologie)

Listériose

Mots clés libres

Listériose

Transmission

Virulence

Gènes de virulence

Dissémination

Dynamique de l'infection

Modélisation

Clonalité

Foyer bactérien

Listeriosis

Transmission

Virulence

Virulence genes

Dissemination

Infection dynamics

Modeling

Clonality

Bacterial focus

Résumé

Listeria monocytogenes (Lm) est un pathogène d'origine alimentaire, responsable de la listériose chez l'Homme et l'animal. Lm exprime plusieurs facteurs de virulence lui permettant de traverser la barrière intestinale, de contourner la machinerie intracellulaire afin de s'y répliquer et de se disséminer dans l'organisme. Les facteurs de virulence font partie du « core genome » de Lm et sont par conséquent très conservés et soumis à une pression de sélection positive. Lm est une espèce génétiquement et phénotypiquement diverse. En effet, elle est divisée en plusieurs lignées et sous-groupes, les complexes clonaux, dont certains sont plus associés aux cas de listériose et d'autres à la contamination alimentaire. Certains facteurs de virulence sont surexprimés dans les souches les plus virulentes, suggérant que cette surexpression est impliquée dans les différences phénotypiques observées entre les souches de Lm. Les facteurs de virulence ont principalement été étudiés pour leur capacité à induire une pathologie. L'objectif principal de cette thèse est de replacer la virulence de Lm dans son contexte écologique, afin de comprendre sa contribution dans la transmission. En effet, des travaux menés au laboratoire ont montré que les souches les plus virulentes sont aussi les plus transmises dans les selles après infection d'un hôte sain, mais la raison en était encore inconnue. Afin de comprendre la contribution de la virulence à la transmission de Lm, l'étude de souches hypervirulentes de Lm a été réalisée dans un modèle in vivo, afin de caractériser et de quantifier les étapes impliquées dans la sélection et l'amplification des bactéries dans l'hôte. Nous avons caractérisé un phénotype observé uniquement après infection par les souches hypervirulentes, et qui est impliqué dans leur transmission accrue. Ces dernières forment des foyers d'infection tout le long de l'épithélium du tube digestif dès les premières heures de l'infection. Cela permet une amplification clonale de bactéries, qui sont ensuite libérées dans la lumière intestinale par extrusion des cellules infectées. Un tel phénotype représente un avantage évolutif important car il ne nécessite pas d'infection systémique et peut donc permettre l'amplification et la dissémination des bactéries après infection par un inoculum faible. Grâce à l'utilisation de souches hypervirulentes et de leurs mutants isogéniques pour différents facteurs de virulence, nous avons montré la contribution d'inlA, de hly et d'actA dans la formation de ces foyers. Lorsque l'inoculum est plus important, la phase systémique de l'infection participe aussi à la transmission de Lm via la colonisation de la vésicule biliaire. Nous avons ensuite étudié la contribution de la virulence à la transmission de Lm, à la fois par l'extrusion des foyers épithéliaux intestinaux et par la phase systémique de l'infection. Nous avons ainsi quantifié la dynamique complète de l'infection dans des souris humanisées reproduisant fidèlement les différentes étapes de la listériose humaine, que nous avons infectées avec une souche hypervirulente ou son mutant isogénique de délétion pour l'internaline (InlA) incapable de former les foyers intestinaux. Afin de suivre l'évolution de la population bactérienne dans l'hôte pour identifier les goulots d'étranglements et les vases d'expansion, nous avons utilisé la technique STAMP combiné à la charge bactérienne. De plus, nous avons collaboré avec l'équipe de Simon Cauchemez afin d'établir un modèle mathématique de dynamique de l'infection que nous avons alimenté avec ces données. L'ensemble des résultats obtenus a permis de mettre en évidence l'importance des facteurs de virulence dans la transmission de Lm, et de quantifier la contribution des différentes étapes de l'infection à la transmission de Lm.

Listeria monocytogenes (Lm), a foodborne pathogen of humans and animals, is the etiological agent of listeriosis. Lm expresses virulence factors that enable it to cross the intestinal barrier, hijack intracellular machinery for replication, and disseminate within the host organism. These virulence factors are integral parts of the Lm core genome. They are highly conserved and under positive selection pressure. Lm, which exhibits high genetic and phenotypic diversity, is organized into lineages and subgroups, known as clonal complexes. Some of these complexes are statistically more associated with clinical cases of listeriosis, while others are more associated with food contamination. Furthermore, these virulence factors are overexpressed in the most virulent strains, resulting in phenotypic variations among Lm strains. Virulence factors have mainly been studied for their ability to induce pathology. The aim of this PhD is to contextualize the virulence of Lm within an ecological framework to better understand its role in transmission. Previous research from the laboratory revealed that the most virulent strains are also the most shed in feces of infecting healthy hosts, yet the underlying reasons remained unknown. To understand the contribution of virulence to Lm transmission, hypervirulent strains of Lm were studied in an in vivo model to characterize and quantify the steps involved in bacterial selection and amplification in the host. In this study, we have characterized a novel phenotype that is unique to hypervirulent Lm strains, and contributes significantly to their enhanced transmission. These strains form foci of infection throughout the gastrointestinal epithelium within the first hours of infection, contributing to clonal bacterial amplification. Subsequently, these bacteria are extruded into the intestinal lumen via infected cell extrusion. Such a phenotype confers a significant evolutionary advantage, as it doesn't require of systemic dissemination and can be present even after a low-inoculum infection event. Through the utilization of hypervirulent Lm strains and isogenic deletion mutants for virulence factors, we have demonstrated the contributions of inlA, hly, and actA to the formation of these foci. When the inoculum is higher, the systemic phase of infection also plays a role in Lm transmission by gallbladder colonization and reseeding of the gut. We have elucidated the virulence contribution to Lm transmission, which includes both the extrusion of gastrointestinal epithelial foci and the systemic phase of infection. To this end, we have provided a comprehensive overview of infection dynamics in humanized mice closely mimic different stages of human listeriosis. These mice were infected with a hypervirulent strain or its isogenic deletion mutant for inlA, rendering it incapable of forming intestinal foci. To monitor bacterial population dynamics within the host and identify intra-host bottlenecks and expansion reservoirs, we used the STAMP technique in combination with bacterial load analysis. We also collaborated with Simon Cauchemez's team to develop a mathematical model of Lm infection dynamics. All the results obtained highlighted the importance of virulence factors in the transmission of Lm and allowed the contribution of the different steps of infection to Lm transmission to be quantified.