Etude de l'impact des facteurs génétiques d'E. coli sur son aptitude dans un environnement intestinal sain

Study of the genetic factors on E. coli fitness in inflamed gut environment.

• Auteur / Autrice : Amandine Maire
• Direction : David Bikard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie et immunologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biologie de Synthèse

Mots clés

Mots clés libres

Microbiome intestinal

CRISPRi

E. coli

Gut microbiome

CRISPRi

E. coli

Résumé

L'espèce E. coli est caractérisée par une grande diversité génétique et des taux élevés de transferts horizontaux de gènes. Cette diversité génétique se traduit par l'adaptation des souches d'E. coli à de multiples niches écologiques et modes de vie : On peut trouver E. coli dans l'environnement ainsi qu'en association avec les humains et les animaux, où elle peut se comporter comme une espèce commensale intestinal ou comme un pathogène opportuniste intestinal et extra-intestinal. Les personnes en bonne santé peuvent être porteuses de souches commensales et de souches potentiellement pathogènes, comme les E. coli uropathogènes (UPEC). On a également décrit une prolifération d'E. coli au cours des maladies inflammatoires de l'intestin, avec des souches adhérentes invasives spécifiques d'E. coli (AIEC) associées à la maladie de Crohn. Ces dernières années, il est devenu possible d'interroger systématiquement l'importance de tous les gènes du génome d'une bactérie pour son aptitude à évoluer dans un environnement donné, en utilisant le séquençage par insertion de transposons (TIS, Tn-seq...) et plus récemment les cribles CRISPR-Cas. Quelques études ont utilisé le séquençage des transposons pour déterminer les exigences génétiques des isolats cliniques d'E. coli pour la croissance in vitro ou dans des modèles d'infection. Le laboratoire Bikard a récemment utilisé des cribles CRISPR-Cas pour étudier l'impact de la diversité génétique pendant la croissance in vitro. Cependant, on sait peu de choses sur l'impact de la composition génétique des différentes souches d'E. coli sur leur capacité à coloniser l'environnement intestinal. L'objectif de ce projet est de mieux comprendre comment les différentes souches d'E. coli interagissent avec d'autres bactéries et avec l'hôte pour se maintenir dans l'environnement intestinal. La mise en évidence des gènes importants pour la croissance dans différentes conditions permettra d'éclaircir les voies métaboliques nécessaires à la croissance, les interactions possibles et de déterminer si des processus aérobies ou anaérobies ont lieu. Au-delà des aspects métaboliques, l'aptitude des bactéries dans l'intestin est influencée par leur capacité à se fixer aux cellules épithéliales ou à la couche de mucus, par leur capacité à sécréter des toxines et à former des biofilms (7). La guerre entre bactéries joue également un rôle important et peut être médiée par des systèmes de sécrétion de type VI, des bactériocines et des métabolites secondaires, entre autres (9, 10). Il en va de même pour l'interaction avec les bactériophages, avec un rôle important des systèmes de défense des phages et de la dynamique des prophages (11, 12). Nous espérons également comprendre comment ces interactions changent au cours des maladies inflammatoires de l'intestin pour favoriser la croissance de certaines souches d'E. coli. Nous proposons d'aborder ces questions en utilisant des cribles CRISPRi sur un panel de quatre souches d'E. coli, deux commensales (HS, E1114) et deux pathobiontes (LF82, ST131 H30), dans diverses conditions expérimentales pour répondre à des questions spécifiques : (1) Quels sont les facteurs génétiques d'E. coli impliqués dans l'interaction avec les autres bactéries intestinales ? Les cribles CRISPRi seront réalisés in vitro en utilisant le modèle SHIME® (Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem), en présence/absence de communautés bactériennes bien définies ou d'échantillons de fèces de patients sains ou atteints de MICI. (2) Quels sont les facteurs génétiques d'E. coli impliqués dans l'interaction avec l'hôte ? Les cribles CRISPRi seront réalisés in vivo soit chez des souris axéniques, soit chez des souris colonisées par une flore définie ou conventionnelle. (3) Comment le bagage génétique des souches d'E. coli affecte-t-il leur capacité à fleurir pendant l'inflammation ? Les cribles CRISPRi seront réalisés ici dans un modèle de souris de colite induite par le DSS.

In recent years, it has become possible to systematically query the importance of all genes in the genome of a bacteria for its fitness in a given environment, using transposon insertion sequencing (TIS, Tn-seq ) and more recently CRISPR-Cas screens. A few studies have used transposon sequencing to determine the genetic requirements of clinical E. coli isolates for in vitro growth or in infection models. The Bikard lab recently employed CRISPR-Cas screens to investigate the impact of genetic diversity during growth in vitro. However, little is known about how the genetic makeup of different E. coli strains impacts their ability to colonize the gut environment. The goal of this project is to obtain a better understanding of how different strains of E. coli interact with other bacteria and with the host to maintain themselves in the gut environment. Revealing the genes important for growth in different conditions will shed light on the biosynthetic routes necessary for growth, possible trophic interactions and whether aerobic or anaerobic processes are taking place. Beyond metabolic aspects, bacterial fitness in the gut is influenced by the ability to attach to epithelial cells or to the mucus layer, the ability to secrete toxins and to form biofilms (7). Warfare between bacteria also plays an important role and can be mediated by type VI secretion systems, bacteriocins and secondary metabolites among other things (9, 10). The same is true for the interaction with bacteriophages, with an important role of phage defense systems and prophage dynamics (11, 12). We also hope to understand how these interactions change during inflammatory bowel disease to promote the growth of some E. coli strains. We propose to tackle these questions using CRISPRi screens on a panel of four E. coli strains, two commensals (HS, E1114) and two pathobionts (LF82, ST131 H30), in various experimental conditions to answer specific questions: (1) What are the genetic factors of E. coli involved in the interaction with other gut bacteria? CRISPRi screens will be performed in vitro using the Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME®) model, in the presence / absence of either well defined bacterial communities or feces samples from healthy or IBD patients. (2) What are the genetic factors of E. coli involved in the interaction with the host? CRISPRi screens will be performed in vivo either in axenic mice, or mice colonized with a defined or conventional flora. (3) How does the genetic background of E. coli strains affect their ability to bloom during inflammation ? CRISPRi screens will be performed here in a mouse model of DSS-induced colitis.