Décrypter l’organisation fonctionnelle de “fabriques métaboliques” inter-règnes dans une endosymbiose d’insecte – FOCuS

Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à étudier l'organisation subcellulaire qui permet les échanges métaboliques intenses nécessaires à une endosymbiose nutritionnelle efficace. Nous avons analysé l'ultrastructure tridimensionnelle des bactériocytes et des endosymbiontes, en accordant une attention particulière aux réseaux de membranes cellulaires ainsi qu'à la localisation des métabolites et des transporteurs potentiels. Les principales méthodes utilisées étaient : la cryofixation à haute pression, la microscopie électronique, la microscopie électronique volumique, la STXM, l'immunomarquage/immunogold et la microscopie à fluorescence.

Nous avons ensuite étudié les différents types de cellules qui constituent l'organe bactériome, ainsi que les endosymbiontes qui s'y trouvent. Nous avons analysé les transcriptomes de l'hôte et des endosymbiontes à l'aide d'une approche double RNA-seq sur des cellules microdisséquées. L'identification, basée sur la transcriptomique, des gènes clés de cet interactome a permis d'analyser plus en détail les fonctions de certains d'entre eux à l'aide de l'interférence ARN, combinée à des approches classiques de biologie moléculaire telles que la RT-qPCR, ainsi qu'à des méthodes d'imagerie et biochimiques.

Enfin, nous avons analysé l'impact de la nutrition de l'hôte sur les transcriptomes des bactériocytes et de leur population bactérienne.

Nous avons démontré que les symbiotes intracellulaires forment des réseaux membranaires tubulaires complexes. Ces structures servent de conduits pour l'échange de nutriments, permettant ainsi aux bactéries d'acquérir efficacement les glucides provenant de l'hôte. Cette analyse s'est largement appuyée sur une combinaison de microscopie électronique volumétrique, qui nous a permis de comprendre l'organisation de ces structures en trois dimensions, et de spectromicroscopie (STXM), qui a mis en évidence leur teneur en glucides (Balmand et al., Cell 2025).

Afin de déterminer ce qui définit les bactériocytes différenciés, nous avons procédé à une microdissection de différents sous-types cellulaires dans le bactériome d’insectes symbiotiques et de leurs équivalents aposymbiotiques les plus proches, et avons combiné cette approche avec un dual RNA-seq. Nous avons montré que les bactériocytes possèdent un programme distinct de celui des cellules épithéliales voisines et de leurs homologues aposymbiotiques. De plus, nous avons identifié deux sous-catégories de bactériocytes ayant des fonctions différentes. Nous avons également démontré que les bactéries infectant les cellules épithéliales expriment un ensemble de gènes différent de celui présent dans les bactériocytes. En analysant l'impact du stress nutritionnel sur les transcriptomes des bactériocytes et des bactéries, nous avons montré que le stress nutritionnel modifie les stratégies métaboliques des deux partenaires (Galambos et al., Microbiome, 2025).

La découverte de nouvelles structures membranaires produites par des bactéries symbiotiques intracellulaires au sein des cellules hôtes ouvre la voie à une nouvelle compréhension, au niveau ultrastructural, des mécanismes d'échange métabolique. De nombreuses questions subsistent quant aux fondements moléculaires de la formation et de la régulation de ces structures, qui feront l'objet de futurs projets.

Les pesticides sont utilisés de façon intensive contre les insectes ravageurs des cultures, ce qui crée des phénomènes de résistance et affecte l'environnement et les autres organismes, y compris humains. Des alternatives durables pour le contrôle des insectes nuisibles sont donc urgentes.
Les charançons du genre Sitophilus sont parmi les principaux ravageurs des céréales. Leur capacité à se développer sur un régime exclusif et déséquilibré de céréales repose sur leur association mutualiste avec la bactérie symbiotique intracellulaire (endosymbiote) Sodalis pierantonius, qui leur fournit des acides aminés, des vitamines et des cofacteurs, présents en faible quantité dans les grains. Plutôt que de cibler l'insecte lui-même, et parce que les charançons dépendent de cette symbiose obligatoire pour survivre, une nouvelle stratégie de lutte spécifique et durable pourrait consister à déséquilibrer ou à rompre l’association symbiotique.
Les échanges métaboliques entre les charançons des céréales et S. pierantonius sont au cœur de cette symbiose. Les deux partenaires ont co-évolué vers une complémentarité métabolique et une dépendance l'un envers l'autre : les bactéries bénéficient des glucides que les insectes transforment à partir du grain ; en retour, les bactéries produisent et fournissent à l'hôte des métabolites qui complètent son alimentation. Bien que l'importance et la nature de ces échanges métaboliques soient bien documentées, la façon dont les nutriments sont échangés entre partenaires demeure une question ouverte.
L'intégration métabolique entre le charançon Sitophilus et la bactérie Sodalis se matérialise dans des cellules dédiées de l’hôte, les bactériocytes, qui abritent les endosymbiotes et sont le centre des synthèses et échanges métaboliques. Cependant, les mécanismes par lesquels l’hôte et le symbiote transforment ces cellules bactériocytaires en " usines métaboliques " restent flous, bien que cette adaptation soit un élément clé du partenariat bactéries-insectes.
Le projet FOCuS vise à comprendre l'organisation ultra-structurelle et fonctionnelle de ces "fabriques métaboliques", en utilisant les récentes avancées en imagerie cellulaire et en biologie moléculaire. Une première partie portera sur l’étude de l'organisation subcellulaire permettant les échanges métaboliques intensifs nécessaires à une endosymbiose nutritionnelle efficace. Nous analyserons l'ultrastructure tridimensionnelle des bactériocytes et des endosymbiotes, en mettant l'accent sur les réseaux cellulaires membranaires et la localisation des transporteurs et des métabolites échangés. Dans une deuxième partie, nous étudierons les mécanismes de différenciation des bactériocytes ainsi que le rôle des endosymbiotes dans ce processus. Des approches de biologie cellulaire du développement seront utilisées pour mieux caractériser le processus de différenciation. Les transcriptomes de l'hôte et de l'endosymbiont seront analysés durant la différenciation bactériocytaire grâce à une approche de Dual RNA-seq sur cellules micro disséquées. Les gènes clés de cet interactome seront ensuite étudiés sur le plan fonctionnel à l'aide d'outils complémentaires, incluant l'interférence à ARN. Dans une troisième partie, nous analyserons l'impact de la nutrition de l'hôte sur l'organisation structurelle des bactériocytes.
FOCuS nous permettra ainsi d’identifier de nouveaux mécanismes cibles pour contrôler les ravageurs des cultures en perturbant la différenciation ou la fonction des bactériocytes et, par conséquent, la capacité de l’hôte à proliférer sur les grains de céréales.