Investigating new mycobacterial models to decipher the evolutionary success and the antibiotic resistance of Mycobacterium tuberculosis, the etiological agent of tuberculosis
Étude de nouveaux modèles mycobactériens pour mieux comprendre le succès évolutif et la résistance aux antibiotiques de Mycobacterium tuberculosis, l'agent étiologique de la tuberculose
Résumé
Tuberculosis, caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), remains one of the deadliest human infectious diseases. Mtb, a biosafety level 3 (BSL3) organism, is extensively studied at the biological and genomic levels for years, but some aspects of its evolution are still poorly understood, mainly the outstanding gain of virulence compared to other mycobacteria. During the 21st century, opportunistic mycobacterial species belonging to biosafety level 1 or 2 organisms (BSL1-2) and named Mycobacterium decipiens, Mycobacterium lacus, Mycobacterium riyadhense and Mycobacterium shinjukuense were isolated from human samples. A preliminary study revealed a higher degree of genomic similarity with Mtb than previously used comparator species, such as the occasional pathogens Mycobacterium kansasii or Mycobacterium marinum (BSL2 organisms). These four mycobacterial species, thus represent very interesting study objects, as some of them might exemplify a "missing link" between low virulent mycobacterial opportunists and highly virulent specialized pathogens, such as Mtb. The comparative study of their genomes and their corresponding phenotypic characteristics will thus help to better understand the molecular factors responsible for the important evolutionary success of Mtb as a globally distributed pathogen. During my PhD project I first characterized the four species and sequenced them in order to have their entire chromosome sequences. Then, I performed genomic comparisons between the four species, Mtb and M. kansasii to find if some virulence factors are specifically shared between them and Mtb compared to other mycobacteria. Molecular biology technics were then used to validate genomic observations. Finally, we concentrate the project on the infectious part by comparing their capacity of multiplication during infection by cellular and murine infection models. A main difference observed is the in vitro growth temperature of M. decipiens, which has growth defect at 37°C compared to lower temperatures. Moreover, study of selected type seven secretion systems (T7SS) revealed a higher similarity to Mtb than M. kansasii for M. decipiens, including the ESX-1 locus, where the espACD cluster, known to be essential for ESAT-6 and CFP-10 secretion in Mtb, is also present in the M. decipiens genome. This result led to the study of the capacity of infection of the four species compared to M. kansasii and Mtb in cellular and murine model. The antibiotic resistance of the strains was tested for some of first and second-line agents for tuberculosis. As lipids are known to be important in the virulence of tuberculosis, composition of certain lipids was analyzed by thin layer chromatography, but no major differences were observed between the four species, M. kansasii and Mtb. According to these data, some of these novel species might represent attractive study models as they are genomically and biologically closer related to Mtb than M. kansasii and M. marinum, but still do not require manipulation in BSL3 conditions.
La tuberculose, causée par Mycobacterium tuberculosis (Mtb), reste l'une des maladies infectieuses humaines les plus meurtrières. Mtb, un organisme de niveau de biosécurité 3, fait l'objet d'études approfondies au niveau biologique et génomique depuis des années, mais certains aspects de son évolution sont encore mal compris, notamment le gain exceptionnel de virulence par rapport à d'autres mycobactéries. Au cours du 21e siècle, des espèces mycobactériennes opportunistes appartenant aux organismes de sécurité biologique 1 ou 2 et nommées Mycobacterium decipiens, Mycobacterium lacus, Mycobacterium riyadhense et Mycobacterium shinjukuense ont été isolées d'échantillons cliniques. Une étude préliminaire a révélé un degré de similarité génomique plus élevé avec Mtb qu'avec les espèces utilisées comme modèle, telles que les pathogènes occasionnels Mycobacterium kansasii ou Mycobacterium marinum (organismes de niveau de biosécurité 2). Ces quatre espèces mycobactériennes représentent donc des objets d'étude très intéressants, car certaines d'entre elles pourraient constituer un chaînon manquant entre les mycobactéries opportunistes peu virulentes et les pathogènes spécialisés très virulents, tels que Mtb. L'étude comparative de leurs génomes et des caractéristiques phénotypiques correspondantes permettra de mieux comprendre les facteurs moléculaires responsables de l'important succès évolutif de Mtb en tant qu'agent pathogène réparti dans le monde entier. Au cours de mon projet de thèse, j'ai d'abord caractérisé les quatre espèces et je les ai séquencées afin d'obtenir leurs séquences chromosomiques complètes. Ensuite, j'ai effectué des comparaisons génomiques entre les quatre espèces, Mtb et M. kansasii afin de déterminer si certains facteurs de virulence sont spécifiquement partagés entre elles et Mtb par rapport à d'autres mycobactéries. Des techniques de biologie moléculaire ont ensuite été utilisées pour valider les observations génomiques. Enfin, nous avons concentré le projet sur la partie infectieuse en comparant leur capacité de multiplication au cours d'une infection avec des modèles cellulaire et murin. La principale différence observée est la température de croissance in vitro de M. decipiens, qui présente un défaut de croissance à 37°C par rapport à des températures plus basses. De plus, l'étude du système de sécrétion de type VII (T7SS) a révélé que M. decipiens a une plus grande similarité avec Mtb qu'avec M. kansasii, y compris le locus ESX-1 où le cluster espACD, connu pour être essentiel pour la sécrétion d'ESAT-6 et de CFP-10 chez Mtb, est également présent dans le génome de M. decipiens. Ce résultat a conduit à l'étude de la capacité d'infection des quatre espèces par rapport à M. kansasii et Mtb dans des modèles cellulaires et murins. La résistance des souches aux antibiotiques a été testée pour certains agents de première et de deuxième ligne contre la tuberculose. Comme les lipides sont connus pour jouer un rôle important dans la virulence de la tuberculose, la composition de certains lipides a été analysée par chromatographie sur couche mince, mais aucune différence majeure n'a été observée entre les quatre espèces, M. kansasii et Mtb. D'après ces données, certaines de ces nouvelles espèces pourraient représenter des modèles d'étude intéressants car elles sont génomiquement et biologiquement plus proches de Mtb que M. kansasii et M. marinum, sans pour autant nécessiter de manipulation dans un laboratoire de classe 3.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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