Evolution rapide des interactions symbiotiques en réponse au stress : processus et mécanismes – RESIST

Nous avons utilisé comme modèle d'étude la drosophile (une petite mouche des fruits), et ses bactéries du genre Wolbachia (lignée wMelPop). Aussi fascinantes que paradoxales : ces bactéries peuvent devenir pathogéniques si elles prolifèrent trop dans les tissus de l'insecte, mais elles le protègent aussi des virus (comme le virus DCV) de manière proportionnelle à leur densité. Son efficacité dépend de sa densité : trop faible, elle ne protège pas ; trop élevée, elle affaiblit la mouche. Un équilibre fragile !

Cette densité est liée à une région génétique appelée Octomom : plus elle est répétée dans le génome de Wolbachia, plus les bactéries sont nombreuses… et donc à la fois pathogènes et protectrices. Sous l’effet de la sélection naturelle, certains variants de Wolbachia (plus ou moins agressifs) peuvent être favorisés, influençant ainsi la santé de la mouche.

Nous avons testé deux perturbations réalistes :

- Un pesticide (paraquat) : il provoque un stress oxydant (déséquilibre cellulaire dû à des molécules agressives, les ROS), connu pour réduire le nombre de Wolbachia chez la drosophile.

- Un virus (DCV) : il infecte naturellement les mouches, perturbe leur digestion et peut les tuer en quelques jours. Pourtant, Wolbachia semble les protéger… mais seulement si elle est présente en quantité suffisante !

Nous avons tout d'abord testé la réaction immédiate de la symbiose mouche/Wolbachia : des mouches exposées (ou non) à un ou deux stress pendant une génération ont été échantillonnées, puis nous avons mesuré leur survie, leur taille, la quantité de bactéries, ou encore l’activité de leurs gènes (hôte et bactérie) et leur métabolisme.

Nous avons ensuite fait évolué le système pendant 12 à 24 générations, en présence d'un stress chronique (pesticide, virus, ou les deux). Nous avons ensuite observé si leur survie s’améliore grâce à :

- Un changement dans la population de Wolbachia (ex. : sélection de variants moins virulents).

- Une meilleure résistance de la mouche elle-même (tolérance au stress).

Après cette adaptation, nous avons exposé ces lignées à un nouveau stress viral. Leur réaction a permis de révéler si l’adaptation précédente les a rendues plus robustes… ou au contraire plus vulnérables.

Le projet RESIST a permis de mieux caractériser l’association symbiotique étudiée, et notamment les forces sélectives pouvant agir sur l’hôte et les symbiotes.

Si l'on regarde l'effet directe des agents stressants :

- Une faible concentration en paraquat lors du développement des mouches n'impacte pas leur survie, mais induit une reprogrammation majeure du métabolisme et de l'expression des gènes (transcriptomique).

- Au contraire, l’infection virale induit une forte mortalité des mouches, qui peut être limitée par la présence de Wolbachia, mais les changements métaboliques et transcriptomiques associés sont peu visibles. Les mécanismes de protection antivirale induits par Wolbachia restent donc en suspens.

- La protection de Wolbachia contre le virus s’affaiblit en présence de paraquat, car le pesticide réduit sa densité. Certains métabolites réagissent aux deux stress, suggérant des mécanismes communs.

Si l'on regarde maintenant la réponse à l'infection virale, après évolution en conditions de stress chronique :

- Après évolution avec du paraquat seul : Wolbachia protège toujours, et les mouches semblent développer une tolérance au virus… même sans la bactérie !

- Après évolution avec le virus seul : une tolérance au virus semble également apparaitre sans la bactérie, mais celle des mouches infectées n'augmente pas.

- Après évolution avec du virus et du paraquat : La tolérance au virus disparaît chez les mouches sans Wolbachia.

L’ensemble du projet RESIST a actuellement permis la publication d’une revue de synthèse sur le lien entre stress et symbiose, deux articles de résultats (et d’autres publications sont en cours). Les résultats ont été présentés lors de conférences nationales et internationales, et l'inscription du projet dans une initiative d'excellence a permis de développer un autre projet dans ce domaine, lié à l’influence de la bactérie Wolbachia et du microbiote intestinal sur la réponse antivirale.

La suite de ce projet vise à décrypter les mécanismes de réponse aux stress aigus (pesticides, virus) et à leur combinaison, en analysant les changements génétiques et métaboliques. Les données de séquençage et de métabolisme, bien que complexes, permettront en effet d’identifier des voies moléculaires inédites impliquées dans la régulation des bactéries et la résistance aux stress. Les gènes les plus prometteurs seront ensuite étudiés en détail avec des techniques d’édition génétique (CRISPR).

Ces recherches pourraient améliorer les stratégies de lutte contre les arbovirus (comme la dengue ou Zika) qui utilisent des moustiques transinfectés par Wolbachia, ou mieux évaluer l’impact des pesticides sur les écosystèmes.

En conclusion, le projet RESIST a permis des avancées significatives qui vont ouvrir de multiples voies de recherches. Le projet a également permis de renforcer la visibilité nationale et internationale dans le domaine de la symbiose, grâce notamment à une intégration des aspects moléculaire, métaboliques et évolutifs.

Les animaux vivent en symbiose avec des communautés bactériennes contrôlées qui ont un fort impact sur le phénotype de leur hôte, appelé ainsi phénotype étendu. L’effet des symbiotes sur leur hôte peut être positif (ex : apport d’une nouvelle fonction qui permet une adaptation rapide à la niche) et/ou négatif (ex : virulence densité-dépendante qui induit la pathogenèse). Un stress peut donc impacter directement l’hôte et le symbiote ; mais aussi indirectement l’hôte, par une modification du phénotype étendu induit par la communauté symbiotique. Dans ce projet, je cherche donc à comprendre comment les associations symbiotiques répondent à des stress, et à caractériser leur capacité à s’adapter à un nouvel environnement.

Comme l’effet du stress sur la symbiose est difficile à étudier dans des écosystèmes complexes, tel que le microbiote de l’homme, j’étudierai une symbiose à transmission verticale (drosophile + bactéries intracellulaires Wolbachia), chez qui la densité bactérienne joue un rôle majeur dans l’expression du phénotype étendu. En effet, plus la densité est forte, plus la virulence associée à l’infection l’est. Curieusement, Wolbachia est aussi connue pour protéger les mouches contre des infections virales : un effet protecteur qui est également corrélé positivement à la densité bactérienne. Contrairement à la vision classique que les populations de symbiotes transmis verticalement sont homogènes au sein de leur hôte, la population intra-hôte de Wolbachia est hétérogène du fait d’une duplication génomique. Cette hétérogénéité pourrait induire des conflits entre partenaires, en augmentant la compétition intra-hôte entre les génotypes symbiotiques par un processus analogue à la tragédie des communs ; et affecter l’issue de la réponse au stress.

J’étudierai l’influence de deux stress, naturellement rencontrés par les drosophiles, sur l’évolution de la symbiose : 1) le stress oxydant, qui est observé en réponse à de nombreuses menaces, comme le réchauffement climatique ou l’utilisation de pesticides, et 2) l’infection par des virus à ARN, car Wolbachia protège des infections de ce type, et est actuellement utilisée comme moyen de lutte contre des arbovirus. Enfin, comme l’induction du stress oxydant est aussi une stratégie immunitaire contre les pathogènes, je testerai si l’évolution de l’association dans un environnement oxydant impacte sa réponse secondaire à une infection virale.

J’étudierai en particulier : 1) comment un stress affecte la physiologie des deux partenaires et écarte la densité bactérienne de son optimum ? 2) quelle est l’influence respective des processus évolutifs (plasticité, sélection intra- et inter-hôte) dans le retour -ou non- à l’optimum ? (par des approches d’évolution expérimentale dans les différentes conditions de stress en présence/absence de Wolbachia, et des mesures répétées de densité/composition bactérienne et de survie hôte) 3) quels sont les mécanismes physiologiques impliqués dans la réponse au stress et la régulation bactérienne ? (par des approches de transcriptomique et de métabolomique comparatives, avant et après évolution dans les différentes conditions de stress, couplées à une analyse fonctionnelle des gènes candidats).

Ce projet de recherche fondamentale, qui me confortera dans le développement de ma thématique de recherche sur l’«immuno-symbiose», est à la frontière entre la compréhension des processus évolutifs impliqués dans la réponse des associations hôte-symbiotes au stress, et la caractérisation des mécanismes immunitaires de la régulation symbiotique. Les résultats issus de ce projet apporteront des éléments de réponse sur des questions plus générales ou appliquées, liées par exemple à l’évolution de la tolérance/dépendance dans les interactions hôte-microbes, l’évolution de la virulence et de la pathogenèse dans les communautés bactériennes hétérogènes, ou les mécanismes et l’évolution de la protection médiée par les symbiotes chez les insectes.