Étude des mécanismes de défense antiphage chez Clostridioides difficile

Study of antiphage defense mechanisms in Clostridioides difficile

• Auteur / Autrice : Salomé Rouland
• Direction : Olga Soutourina, Louis-Charles Fortier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université de Sherbrooke
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ARN régulateurs chez les Clostridies/Regulattory RNAs in Clostridia
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Bactéries pathogènes anaérobies strictes

ARNs non codants

Microbiologie

Système de défense antiphagique

Bactériophage

CRISPR toxine-antitoxine

CRISPR toxin-antitoxin

Pathogenic anaerobic bacteria

Microbiology

Non-coding RNAs

Antiphage defense system

Bacteriophage

Résumé

Clostridioides (nommé précédemment Clostridium) difficile est la principale cause de diarrhées post-antibiotiques chez les adultes dans les pays industrialisés et l'une des bactéries les plus problématiques en milieu hospitalier. Plusieurs facteurs impliqués dans l'adhésion de C. difficile aux entérocytes ont été identifiés. Cependant, les processus de colonisation du tube digestif et les fonctions associées ainsi que les mécanismes qui contrôlent la virulence sont encore peu étudiés. Des adaptations métaboliques, la motilité, l'efficacité d'adhésion, la capacité de former des biofilms, de sporuler, de germer ou de résister aux stress et aux infections phagiques figurent parmi les facteurs pouvant jouer un rôle lors du processus infectieux. Mieux comprendre les mécanismes qui contrôlent ces processus semble indispensable pour l'étude de ce pathogène humain. Nos données de séquençage à haut débit (RNA-seq) ont montré l'existence d'un grand nombre d'ARNs non codants présents chez C. difficile ce qui suggère l'importance des mécanismes de régulation de l'expression des gènes basés sur l'action des ARNs chez cette bactérie (Soutourina et al. PLoS Genetics 2013). Nous avons identifié des ARNs dans les régions intergéniques, des ARNs CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) pour la défense contre les bactériophages et d'autres sources d'ADN étranger, des ARNs antisens en cis, des éléments de régulation en cis « riboswitchs » et des riborégulateurs en trans nécessitant la protéine chaperon à l'ARN Hfq (Soutourina et al. PLoS Genetics 2013; Boudry et al. J. Bacteriol 2014, mBio 2015, RNA Biol 2021; Soutourina Curr Opinion Microbiol 2017). Notre objectif général est de déterminer les rôles biologiques des ARNs sélectionnés et de découvrir les mécanismes moléculaires associés aux ARNs chez ce pathogène. Nous sommes particulièrement intéressés par les aspects originaux de ce contrôle chez C. difficile et proposons une approche intégrée pour aborder des mécanismes contrôlant la pathogenèse de C. difficile au niveau cellulaire, moléculaire et communautaire. Après l'identification des acteurs moléculaires dans ce contrôle nous allons examiner leur rôle dans les interactions de C. difficile avec son hôte et les autres composantes des communautés de l'intestin incluant les bactériophages. Nous collaborons étroitement depuis 12 ans avec le laboratoire de Pr Louis-Charles Fortier à l'Université de Sherbrooke pour mieux comprendre les interactions de C. difficile avec les bactériophages à travers la caractérisation du système de défense CRISPR-Cas qui cible spécifiquement des bactériophages, le séquençage des génomes des bactériophages pour enrichir la base des données disponible, l'identification des systèmes toxine-antitoxine de type I et leur rôle dans la stabilisation des régions prophagiques dans les génomes de C. difficile, l'identification de la protéine SlpA comme un récepteur des phages chez C. difficile et la caractérisation d'un nouveau système de type toxine-antitoxine associé à un ARN non codant au sein d'un prophage d'une souche hypervirulente. Ces travaux ont conduit à cinq publications conjointes de nos équipes (Boudry et al. mBio 2015 ; Garneau et al. AEM 2018 ; Peltier et al. Comm Biol 2020, Royer et al. Microbiol Spectr 2023, Saunier et al. Anaerobe 2024) et d'autres en cours de préparation actuellement. Nos données sont pertinentes pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à limiter le développement de l'infection à C. difficile, en particulier, la phagothérapie.

The mechanisms controlling the infection cycle of Clostridioides (previously named Clostridium) difficile, one of the major human enteropathogens, remain largely unexplored. C. difficile is an anaerobic spore-forming bacterium that is the major cause of nosocomial infections associated with antibiotic therapy. This enteropathogen can lead to diarrhoea and life-threatening pseudomembranous colitis. Transmission of C. difficile is mediated by the contamination of the gut by spores that can lead either to asymptomatic carriage or disease. The disruption of the colonic microflora by antimicrobial therapy precipitates colonization of the intestinal tract by C. difficile leading to infection. After spore germination, vegetative forms multiply and major virulence factors, the TcdA and TcdB toxins, are produced causing alterations in the actin cytoskeleton of intestinal epithelial cells. Over the last decade, the severity of C. difficile infections increased due to the emergence of epidemic and hypervirulent strains. Many aspects of C. difficile pathogenesis still remain poorly understood. We may hypothesize that non-coding RNAs (ncRNAs) could contribute to the C. difficile pathophysiology. Clostridia, an evolutionary ancient group of Gram-positive bacteria, have developed complex RNA-based mechanisms to tightly control gene expression. This project is built upon our genome-wide identification of a great number (more than 200) and a large diversity of potential regulatory RNAs in C. difficile including RNAs in intergenic regions, CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) RNAs for defence against phage infections, cis-antisense RNAs, cis regulatory elements (riboswitches) and trans riboregulators requiring the RNA chaperone protein Hfq (Soutourina et al. PLoS Genetics 2013 ; Boudry et al. J. Bacteriol 2014, mBio 2015, RNA Biol 2021 ; Soutourina Curr Opinion Microbiol 2017). These ncRNAs might play important roles in the control of gene expression during the C. difficile infection cycle including metabolic adaptations, biofilm formation, quorum sensing, stress responses, defence mechanisms and sporulation. Our goal is to determine the biological roles of selected sRNAs and to uncover the molecular mechanisms of RNA-based regulations employed by C. difficile outside and inside the host. We are particularly interested in original aspects of RNA-based control in C. difficile. We propose an integrative approach to address the mechanisms controlling the C. difficile pathogenesis at the molecular, cellular and community levels. After the identification of the molecular players in this RNA-based control, we will look at their role in C. difficile interactions with its host and with other components of gut communities including bacteriophages. We have been working closely for 12 years with the laboratory of Pr Louis-Charles Fortier at the Université de Sherbrooke to gain a better understanding of the interactions between C. difficile and bacteriophages through the characterisation of the CRISPR-Cas defence system, which specifically targets bacteriophages, the sequencing of bacteriophage genomes to enrich the available database, the identification of type I toxin-antitoxin systems and their role in the maintenance of prophage regions in C. difficile genomes, the identification of the SlpA protein as a phage receptor in C. difficile and the characterisation of a new toxin-antitoxin system associated with a ncRNA within a prophage of a hypervirulent C. difficile strain. This work led to five joint publications by our teams (Boudry et al. mBio 2015; Garneau et al. AEM 2018; Peltier et al. Comm Biol 2020, Royer et al. Microbiol Spectr 2023, Saunier et al. Anaerobe 2024) and others are currently in preparation. Our data are relevant for the development of new therapeutic strategies aimed at limiting the development of C. difficile infection, in particular phage therapy.