CE35 - Santé-Environnement : Environnement, pathogènes et maladies infectieuses émergentes et réémergentes, résistance aux antimicrobiens

Interactions épistatiques à l’échelle du genome bactérien: étendue, emergence et bases moléculaires – GeWiEp

GeWiEpi: Interactions e´pistatiques a` l’e´chelle du genome bacte´rien: e´tendue, emergence et bases mole´culaires

Lors de l'adaptation, une succession de mutations avantageuses s’accumule dans les populations bactériennes. L'effet des mutations apparaissant tardivement peut dépendre de la présence des mutations précédentes générant ainsi des combinaisons de mutations fonctionnelles dans les génomes bactériens dont la disruption par échange génétique est délétère. Grace au génie génétique nous proposons de tester l'émergence et l'importance de ces interactions dans l'évolution bactérienne.

Déterminer comment l'épistasie façone l'évolution génomique bactérienne

Avec l'analyse des génomes, il apparait que les transferts de matériel génétique au sein d'une espèce versatile comme Escherichia coli sont fréquents et ce d'autant plus pour les gènes impliqués dans la résistance aux antibiotiques. Pourtant le problème de la résistance est principalement associé à quelques clones, ce qui suggère qu'il existe certaines limites aux transfert de matériel génétique. Une des explication pourrait venir de l'épistasise génomique. L'accumulation de mutations avantageuse peut être très rapide quand une population bactérienne arrive dans un nouvel environnement. L'évolution expérimentale a pu révéler que ces mutations peuvent interagir les unes avec les autres, les mutations tardives ayant par exemple un avantage qui est conditionnel à la présence des mutations précoces. Ainsi l'adaptations de différentes populations bactériennes en parallèle pourrait amener chacune à accumuler dans son génome une combinaison de mutations interagissant ensemble et dont la disruption par échange génétique pourrait être délétère. Ces interactions pourraient ainsi limiter le flux de gènes et permettre à chaque souche d'accumuler des adaptation spécifiques incompatibles avec celles des autres membres de l'espèce. <br />Grace au génie génétique, il nous est possible de construire des souches recombinantes, de les séquencer et de les caractériser en terme de valeur sélective ou en terme de phénotype. Notre objectif est d'identifier et quantifier si ces interactions génétiques sont importantes et pourraient façonner l'évolution des génomes et des clones bactériens sur des caractéristiques aussi importantes que la propogation de l'antibiorésistance.

Notre approche expérimentale peut se décomposer en quatre phases:
1) La création grâce aux nouvelles méthodes de génie génétique de génomes hybrides entre souches.
2) Le marquage de ces souches par des barcodes génétiques poru en suivre la valeur sélective
3) L'analyse par séquençage et par génie génétique de ces souches
4) l'intégration des données dans des modèles et l'analyse bioinformatique des génomes issus des bases de données pour confirmer les oberservations.


Nous proposons d'utiliser comme matériel les souches évoluées par le laboratoire de Richard Lenski depuis 1988 ainsi que les isolats pathogéniques de la souche ST131 qui ont divergés depuis 1987.

L'objectif est de mesurer l'émergence d'interactions négatives entre les différents composantes des génomes récents et d'essayer d'identifier les bases moléculaires de ces interactions.

1) Nous avons développé deux méthodes alternatives pour mélanger les génomes et inventé une nouvelle approche pour sélectionner les recombinants

2) Nous avons réussi à barcoder plusieurs souches incluant des isolats naturels et des souches évoluées longuement au laboratoire. Nous avons pu montre que les barcodes étaient stable dans le temps et pouvaient permettre de détecter la dynamique de l'adaptation.

3) Une méthodes de phénotypage au niveau transciptomique de milliers de mutants a été développée et pourra être appliquée au recombinants produits.

4) Une base de données de 60000 génomes a été construite, les phylogénie de core génome réalisées et l'effet des mutations prédits.


Les souches de ST131 et les souches de Richard Lenski on été mieux caractérisées en termes phénotypiques.

Nous allons maintenant passer à la phase de production des recombinants et analyse leur valeur sélective et leurs phénotypes avec les techniques développées.

Des articles méthodologiques sont en cours de préparation sur les méthodes développées;

Bien que les dernières décennies aient été marquées par de nombreuses victoires contre les maladies infectieuses, la propagation de bactéries multi-résistantes remet en question ces succès. Des espèces bien contrôlées auparavant représentent maintenant des menaces pour la santé publique. Par exemple, Escherichia coli, qui causait peu de problèmes il y a 15 ans, est maintenant une préoccupation majeure à l'hôpital en raison de l'augmentation de sa résistance aux antibiotiques et de sa virulence extra-intestinale. Cette tendance est en partie due à l'expansion mondiale du clone ST131. Ce clone, indétectable dans les années 1980, représente aujourd'hui environ 7% et jusqu'à 18% des souches isolées en conditions commensales et dans les pathologies extra-intestinales, respectivement.

L'émergence rapide et le succès évolutif de clones multi-résistants avec une certaine spécificité écologique soulèvent des questions d’intérêt médical et fondamental. Comment un clone ou phylogroupe peut-il se propager et conserver sa spécificité malgré la présence d'échanges génétiques susceptibles de propager ses gènes à d'autres membres de l'espèce ? L'évolution expérimentale suggère que l'adaptation sélectionne rapidement des mutations dispersées sur le chromosome qui interagissent épistatiquement entre elles. Nous suggérons que cette forme d'épistasie génomique (EG) peut expliquer la diversification observée au sein d’E. coli. L’EG peut limiter les transferts génétiques de et vers un clone donné, car la destruction ou le transfert partiel d'une combinaison d'allèles co-fonctionnels conduira à la production de recombinants de faible valeur sélective.

Pour étudier l’EG, nous utiliserons deux collections uniques et complémentaires de souches qui ont évolué au cours des 30 dernières années. L'évolution expérimentale à long-terme (LTEE) de Richard Lenski, avec maintenant 70 000 générations d'évolution asexuée dans un environnement de laboratoire parfaitement contrôlé, est un matériel unique pour étudier l’impact de l’adaptation sur le génome. L'émergence, il y a 30 ans, de deux clades de ST131 résistants aux antibiotiques fournit un autre système d'évolution bien documenté qui s'est produit cette fois dans la nature, en présence d'un échange génétique. En outre, ST131 est un problème de santé publique en raison de sa forte virulence et de sa résistance aux antibiotiques.

Pour caractériser l'émergence et l’étendue de l’EG, nous allons effectuer des croisements entre souches et étudier la valeur sélective des recombinants. Les récents progrès technologiques en biologie synthétique ainsi qu’en séquençage permettent maintenant la production à haut débit de recombinants et la mesure précise de leur valeur sélective en « pool » grâce au séquençage de code-barres. Nous proposons donc d'évaluer avec précision la distribution des effets sélectifs des recombinants dans les deux systèmes précédents. Leur comparaison et intégration dans un modèle théorique de spéciation fournira une approche quantitative sans précédent de l'EG chez une espèce bactérienne. Pour valider cette approche phénoménologique, nous allons rechercher les déterminants moléculaires de l’EG en utilisant de nouveaux développements en millifluidique et microfluidique. Avec une méthode proche de la génétique quantitative, nous allons rechercher des régions qui limitent les échanges génétiques. Nous allons mesurer avec précision la valeur sélective des recombinants impliquant le transfert de ces régions et les mélanger pour reconstruire des paysages adaptatifs composés de mutations ou de régions sélectionnées dans des populations/clades différentes.

Ce projet ambitieux aborde la question fondamentale de l'émergence de spécificités génétiques stables dans une espèce bactérienne sexuelle d'intérêt médical, et l'aborde à l'aide de révolutions technologiques récentes dans les domaines de la biologie synthétique, du séquençage, de la millifluidique et de la microfluidique.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier Tenaillon (Infection, anti-microbien, modélisation, évolution)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CBI Laboratory of BioChemistry
TIMC-IMAG Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble
IAME Infection, anti-microbien, modélisation, évolution

Aide de l'ANR 600 076 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 42 Mois

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