Capsules, éléments génétiques mobiles et bactéries : impact, domestication et adaptation de l'information génétique nouvelle

Capsules, mobile genetic elements and bacteria: impact, taming and adaptation of novel genetic information

• Auteur / Autrice : Julie Le bris
• Direction : Olaya Rendueles garcia
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie et immunologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique des génomes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Génomique évolutive des microbes

Mots clés

Mots clés libres

Elements génétiques mobiles

Microbiologie

Capsule

Klebsiella

Mobile genetic elements

Microbiology

Capsule

Klebsiella

Résumé

Les capsules sont la couche la plus externe des bactéries, et sont présentes dans tous les principaux phyla. Surtout étudiée pour son rôle de facteur de virulence majeur, la capsule façonne également les mécanismes d'adaptation à de nouveaux environnements et augmente la capacité d'adaptation dans les communautés mixtes car elle peut agir comme un mécanisme de défense contre d'autres bactéries. Notre groupe combine des travaux expérimentaux et informatiques pour répondre à des questions biologiques fondamentales concernant la façon dont les capsules affectent l'adaptation et l'évolution des espèces. Comme organisme modèle, nous utilisons Klebsiella pneumoniae (Kpn), un commensal intestinal et un important pathogène nosocomial qui peut causer des infections pulmonaires et urinaires. Elle est devenue une menace majeure pour la santé publique car elle acquiert à un rythme rapide des éléments génétiques mobiles (EMG) codant pour des gènes de résistance aux antibiotiques et des facteurs de virulence. Kpn est recouvert d'une capsule polysaccharidique de haut poids moléculaire. La présence de différents gènes spécifiques du sucre dans l'opéron de la capsule donne lieu à différentes combinaisons d'oligosaccharides et à des modifications de résidus, ce qui conduit à différents sérotypes. L'équipe a récemment montré que la capsule et le sérotype de capsule ont un impact important sur les événements de transfert de gènes, et donc sur l'évolution des espèces, en délimitant la gamme d'hôtes des phages et l'efficacité des taux de conjugaison. À leur tour, les éléments génétiques mobiles (EGM) déterminent également l'évolution de la capsule en soi. Premièrement, les éléments génétiques mobiles entraînent l'inactivation de la capsule lorsque la prédation des phages sélectionne les mutants non capsulés. Ensuite, les éléments génétiques mobiles entraînent la réacquisition de la capsule par conjugaison. Cela peut conduire à un changement ou un échange de sérotype de capsule, dont les effets sont actuellement inconnus. Pourtant, ces échanges ne sont pas aléatoires, ce qui suggère l'existence d'interactions épistatiques entre la capsule et le fond génétique. Troisièmement, des données récentes suggèrent que les MGE peuvent également modifier l'expression et la composition de la capsule. Ce projet vise à comprendre l'interaction complexe entre les MGE et les capsules, ainsi que son impact sur l'évolution du génome et, en définitive, sur la stabilité des communautés microbiennes mixtes. En outre, il s'agira de déterminer comment les cellules s'adaptent à l'acquisition d'informations génétiques nouvelles par le biais de l'HGT, tant au niveau transcriptomique que génomique. Pour ce faire, cette proposition est divisée en trois tâches principales : - Identifier et caractériser la diversité des MGE modifiant les capsules et leurs effets sur la production de capsules. En utilisant la génomique comparative, nous criblerons les MGEs pour les gènes de la capsule et les éléments régulateurs de la capsule, et nous identifierons les signatures génomiques communes des MGEs modifiant la capsule. Nous validerons ensuite expérimentalement l'impact de ces MGE sur la production de capsules de leur hôte et vérifierons s'ils agissent de manière égoïste pour limiter l'absorption d'autres MGE, restreignant ainsi le flux de gènes en raison de la production altérée de capsules. - élucider la manière dont les changements dans la production de capsules ont un impact sur l'évolution du génome et modifient d'importantes fonctions cellulaires. Les expériences d'évolution courte nous permettront de comprendre comment les cellules s'adaptent aux changements dans la composition et l'expression de la capsule. De même, le séquençage de l'ARN nous permettra de mieux comprendre comment une telle perturbation affecte la physiologie cellulaire, notamment l'homéostasie cellule-membrane. Ensuite, nous mesurerons les coûts d'adaptation associés aux changements de capsule dans différents environnements pertinents, et les effets subséquents sur un certain nombre de traits associés à la virulence afin d'identifier les interactions épistatiques potentielles entre le génome de l'hôte et les nouveaux sérotypes de capsule. - Examiner l'impact des changements de capsule sur les interactions entre espèces au sein de communautés bactériennes mixtes. En affectant l'aptitude et la résistance aux stress biotiques, les modifications de la capsule peuvent également influencer la dynamique et la stabilité des communautés. Nous commencerons par assembler des consortiums microbiens représentatifs du microbiome urinaire masculin et féminin, une communauté à faible diversité dans laquelle prospère K. pneumoniae. Connue pour être également directement affectée par l'urine, la capsule, et les changements résultant d'un échange ou de l'acquisition d'une MGE modifiant la capsule, peuvent avoir un impact direct sur la stabilité, le maintien et la dynamique de la communauté, y compris la résilience face à un stress exogène, comme les traitements antimicrobiens. D'un point de vue génomique, ce projet permettra de comprendre comment un génome accueille de nouvelles informations génétiques tout en abordant l'interaction entre les capsules et les MGEs. En effet, la capsule a un impact quantitatif et qualitatif sur l'acquisition de MGEs et ceux-ci, à leur tour, entraînent des changements dans la capsule, à savoir son inactivation, sa réacquisition et son expression. D'un point de vue microbiologique, nous fournirons des informations sur l'évolution d'un facteur de virulence très dynamique. Nous nous attendons à ce que ce projet découple, pour la première fois, l'impact spécifique de l'acquisition d'un nouveau sérotype de capsule en termes de fitness d'un pathogène opportuniste proéminent et les conséquences fonctionnelles de ces changements, spécifiquement liées aux traits associés à la virulence. En fin de compte, en identifiant comment des sérotypes spécifiques façonnent des fonctions pertinentes et déterminent l'aptitude, nous ferons progresser notre compréhension des raisons pour lesquelles certaines lignées connaissent une expansion rapide dans des contextes spécifiques. Enfin, d'un point de vue écologique, nous aborderons la manière dont les changements de capsule influencent la dynamique de population des consortiums microbiens.

Capsules are the outermost layer of Bacteria, and present across all major phyla. Mostly studied for their role as major virulence factors, the capsule also shapes the mechanisms of adaptation to novel environments and increases fitness in mixed communities as it can act as a defence mechanism against other bacteria. Our group combines experimental and computational work to address fundamental biological questions concerning how capsules affect the adaptation and evolution of species. As a model organism, we use Klebsiella pneumoniae (Kpn), a gut commensal and an important nosocomial pathogen that can cause lung and urinary tract infections. It has become a major threat to public health because it is acquiring mobile genetic elements (MGE) encoding antibiotic resistant genes and virulence factors at a fast pace. Kpn is covered by a high-molecular weight polysaccharidic capsule. The presence of different sugar-specific genes in the capsule operon results in different oligosaccharide combinations and residue modifications, which leads to different serotypes. The hosting lab has recently shown that the capsule and capsule serotype strongly impact gene transfer events, and thus impact species evolution, by delimiting phage host range, and the efficiency of conjugation rates. In turn, mobile genetic elements (MGE) also drive the evolution of the capsule per se. First, MGEs drive capsule inactivation as phage predation selects non-capsulated mutants. Second, MGEs drive capsule reacquisition by conjugation. This can lead to a change or swap of capsule serotype, the effects of which are currently unknown. Yet, such swaps are non-random, suggesting the existence of epistatic interactions between the capsule and the genetic background. Third, recent data suggest that MGEs can also alter capsule expression and composition. This project aims at understanding the complex interplay between MGEs and capsules, and how it impacts genome evolution, and ultimately the stability of mixed microbial communities. Further, it will address how cells accommodate the acquisition of novel genetic information by HGT both at the transcriptomic and at the genomic level. To do so, this proposal is divided in three main tasks: • Identifying and characterizing of the diversity of capsule-modifying MGEs and their effects on capsule production. Using comparative genomics, we will screen MGEs for capsule genes and capsule-regulatory elements, and identify common genomic signatures of capsule-modifying MGEs. We will then experimentally validate how these MGEs impact the capsule production of its host and test whether they act selfishly to limit the uptake of other MGE, restricting gene flux as a result of altered capsule production. • Elucidating of how changes in capsule production impact the genome evolution and alter important cell functions. Short evolution experiments will allow us to understand how cells adapt to changes in the capsule composition and expression. Similarly, RNA sequencing will enable us to gain insight into how such disturbance affects cell physiology, notably cell-membrane homeostasis. Then, we will measure the fitness costs associated to capsule changes in different relevant environments, and the subsequent effects on a number of virulence- associated traits in order to identify potential epistatic interactions between host genome and novel capsule serotypes. • Addressing how changes in capsule impact species interactions within mixed bacterial communities. By affecting fitness, and mediating resistance against biotic stresses, capsule changes may also shape community dynamics and stability. We will first assemble microbial consortiums representative of the male and female urinary microbiome, a low-diversity community in which K. pneumoniae thrives. Known to be also directly affected by urine, the capsule, and the changes resulting from a swap or acquisition of a capsule-modifying MGEs, may directly impact stability, maintenance and dynamics of the community, including resilience against exogenous stress, like antimicrobial treatments. From a genomic perspective, this project will provide insight on how a genome accommodates new genetic information whilst addressing the interplay between capsules and MGEs. Indeed, the capsule impacts quantitatively and qualitatively the acquisition of MGEs and these, in turn, drive changes in capsule, namely its inactivation, reacquisition and expression. From a microbiological perspective, we will provide insights into the evolution of a very dynamic virulence factor. We expect this project to decouple, for the first time, the specific impact of acquiring a new capsule serotype in terms of both the fitness of a prominent opportunistic pathogen and the functional consequences of such changes, specifically related to virulence-associated traits. Ultimately, by identifying how specific serotypes shape relevant functions and determine fitness, we will advance our understanding of why certain lineages experience a fast expansion in specific contexts. Finally, from an ecological perspective, we will address how changes in capsule influence population dynamics of microbial consortiums.