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Impact des éléments mobiles de l'ADN sur l'adaptabilité et le transfert horizontal chez Aeromonas salmonicida ssp.salmonicida


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Résumé:

Les éléments mobiles de l’ADN, des séquences capables de transfert intracellulaire ou extracellulaire, existent dans la plupart des génomes (eucaryotes ou procaryotes). Ce sont des vecteurs importants de variation génétique. Certains portent des gènes accessoires qui procurent un avantage sélectif à leur organisme-hôte. Les séquences d’insertion (IS) sont un cas spécial d’éléments mobiles bactériens. Elles sont exemptes de gènes accessoires, mais autonomes pour leur transposition. Elles peuvent donc causer des variations structurales, ce qui peut perturber les fonctions de la bactérie-hôte. Néanmoins, la plupart des génomes bactériens portent plusieurs copies de différentes familles d’IS. Plusieurs hypothèses, allant du parasitisme des IS à une forme de commensalisme IS-bactérie, ont été formulées pour expliquer la persistance de ces éléments mobiles dans les génomes. Aeromonas salmonicida ssp. salmonicida, l’agent étiologique de la furonculose chez les salmonidés, est un modèle intéressant pour étudier les IS. Son génome possède plusieurs familles d’IS présentes en différents nombres de copies. De plus, des travaux réalisés précédemment ont montré que ces éléments mobiles étaient responsables de variations structurales dans les plasmides de la bactérie et de l’inactivation de certains de ses facteurs de virulence. Bien que les évènements mentionnés ci-dessus semblent neutres ou désavantageux, il n’est pas exclu que certains évènements impliquant les IS puissent apporter un avantage adaptatif à la bactérie. L’objectif de cette thèse était donc d’explorer les éléments mobiles du génome d’A. salmonicida ssp. salmonicida, en portant une attention particulière aux IS, afin d’identifier des évènements à répercussion bénéfique pour la bactérie. La richesse d’information et l’accessibilité grandissante du séquençage à haut débit en ont fait une technique de choix pour étudier les IS et autres transposons en association avec un autre élément mobile essentiel à leur transmission intercellulaire, les plasmides. Une première étude a permis de découvrir des variants d’un grand plasmide d’A. salmonicida ssp. salmonicida, pAsa4, dont la forme de référence porte des gènes de résistance aux antibiotiques, des IS et un transposon. Les variants identifiés lors de l’étude, pAsa4b et pAsa4c, présentent des variations structurales par rapport à la référence. Elles ont des conséquences sur les gènes de résistance portés et sur la capacité de transfert des plasmides. La génomique comparative faite entre les pAsa4 suggère que les éléments mobiles tiennent un rôle primordial dans la création de certaines variations structurales, tant par leur capacité de transposition ou d’intégration que par leur propension à la recombinaison homologue. L’élargissement de la famille des pAsa4 à trois variants procure d’autres exemples de variabilité attribuable aux éléments mobiles de l’ADN. Dans une second temps, nous avons approfondi un évènement étudié précédemment : la perte du locus du système de sécrétion de type trois (SSTT). Cette région, située sur le grand plasmide pAsa5, peut être perdue lorsque A. salmonicida ssp. salmonicida est cultivée à 25°C. Dans certains cas, la recombinaison homologue d’IS flanquant les régions touchées avait été mise en cause. Dans le cadre de ce projet, le génome de la souche 01-B526, qui avait été utilisée pour générer des pAsa5 réarrangés, a été séquencé par une combinaison de technologies à courtes et à longues lectures. Un nouveau plasmide, pAsa9, ainsi qu’une nouvelle IS de pAsa5, ISAS5Z, ont été découverts. Ensemble, ces deux éléments ont permis de proposer un nouveau schéma de recombinaison homologue qui s’est avéré exact pour tous les réarrangements de pAsa5 générés lors de l’expérience précédente et considérés comme irréguliers. Ces nouveaux résultats permettent de regrouper tous les scénarios de réarrangement de pAsa5 sous un seul mécanisme, la recombinaison homologue entre IS, en plus d’ajouter une nouvelle entité au plasmidome d’A. salmonicida ssp. salmonicida. Plusieurs évènements ont donc été ajoutés au catalogue des variations structurales causées par les éléments mobiles de l’ADN d’A. salmonicida ssp. salmonicida. Dans les derniers chapitres de cette thèse, les conséquences de ces différents évènements sont discutées. Certaines variations sur pAsa4 apportent des gènes accessoires qui sont bénéfiques dans un environnement donné. Autrement, l’étude des éléments observés est limitée par le manque de connaissance sur les facteurs environnementaux qui causent ces variations et sur leur impact in vivo, chez le poisson. Quoi qu’il en soit, les IS du génome d’A. salmonicida ssp. salmonicida influencent certainement les relations hôte-pathogène de cette bactérie et participent intimement à son histoire évolutive.

Abstract:

Mobile genetic elements are sequences capable of intracellular and extracellular transfer. They exist in the majority of eukaryotic and prokaryotic genomes, and are important vectors of genetic variability. Some mobile genetic elements carry accessory genes that confer selective advantages to their host. Insertion sequences (IS), do not belong to the latter group, as they are exempt of accessory genes, yet they are autonomous in their transposition. ISs are thus important structural variation producers, which may endanger the host’s functions and its genomic integrity. However, most bacterial genomes carry ISs. Hypotheses ranging from parasitism to commensalism were formulated to explain how ISs persist in genomes. A. salmonicida subsp. salmonicida, the causative agent of furunculosis in salmonids, is a good model to study ISs. Its genome carries many ISs divided in different families. Moreover, previous work showed that these elements cause structural variations in plasmids and virulence factor inactivations. Even though the events observed to date seemed neutral or detrimental for the bacteria, we cannot exclude that ISs may procure an adaptative advantage in certain cases. This thesis’ objective was to explore the A. salmonicida subsp. salmonicida mobile genetic elements, especially ISs, to identify events with a positive outcome for the bacteria. ISs and transposons were studied in association with another mobile element accountable for their intercellular transfer, plasmids. High-throughput sequencing was used as a preferred method because of its growing availability and the richness of information it generates. In a first article, variants of a large plasmid that carries antibiotic resistance genes, pAsa4, were discovered. pAsa4b and pAsa4c display structural variations when compared to the reference plasmid that impact their antibiotic resistance genes and their conjugation capabilities. Comparative genomics between the three variants shows that mobile elements, either by transposition or recombination, have an important role in some variations. Adding two new members to the pAsa4 family of plasmids gave further examples of genetic diversity driven by mobile elements. In a second article, we investigated previous results concerning the type three secretion system (TTSS) loss. This is an essential virulence factor for A. salmonicida subsp. salmonicida, and its genes are mainly encoded in a single locus of the large plasmid pAsa5. The region can be lost when the bacterium is cultivated at 25°C or higher. In some cases, homologous recombinations between IS copies flanking the TTSS locus have been identified as causing the deletion. In this study, the genome of the strain 01-B526, which was used in a previous study to produce TTSS-negative mutants, was sequenced using Illumina and PacBio technologies. A new plasmid, named pAsa9, and a new pAsa5 IS, ISAS5Z, were discovered. Together, those elements permitted to build a new IS-driven homologous recombination model that was tested in the mutant strains. All TTSS-negative strains generated in previous study and that were not explained by other IS recombination patterns fitted with the new ISAS5 homologous recombination model. These results allowed to regroup all pAsa5 rearrangements under a consistent mechanism: recombination using IS copies as a template. In this thesis, more structural variation events involving ISs were uncovered. In the last chapters, their involvement in A. salmonicida subp. salmonicida fitness in vitro and in the fish host is discussed. Some variations in pAsa4 bring new resistance genes, which are beneficial for the bacteria in an aquaculture context. However, for most events, we lack situational information to properly conclude their fitness impact. Regardless, ISs of the A. salmonicida subp. salmonicida genome certainly influence host-pathogen relations and participate in the bacteria evolutive history.

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Version 2.3