Vésicules membranaires produites par des microbes hyperthermophiles: physiologie, toxicité, transferts de gènes et interactions avec des virus – THERMOVESICULES

Nous allons cultiver des microorganismes appartenant à deux des trois domaines du vivant, archées et bactéries, dans des conditions proches de leur milieu naturel, absence d’oxygène et températures entre 80 et 95°C. Nous allons purifier les vésicules et les particules virales produites par ces microbes. Nous utiliserons des approches biochimiques et génétiques pour étudier les échanges de gènes et de composés chimiques utilisant ces virus et vésicules comme mode de transport.

Nous avons réussi à cultiver dans le même milieu des archées et des bactéries vivant à haute température. Nous avons observé la formation de contacts physiques étroits entre ces microbes par microscopie électronique à balayage (voir l’illustration). Nous avons isolé les premier virus infectant des bactéries thermophiles du genre Thermotoga et des arches hyperthermophiles méthanogènes. Tous ces organismes produisent également des vésicules. Nous avons observé que l'induction UV augment la taille des cellules et des vésicules et la nombre de chromosome chez les Thermococcales.

Nous allons étudier l’effet des vésicules produites par les archées hyperthermophiles sur les virus infectant ces microorganismes. Nous allons comparer les vésicules produites par les arches et les bactéries. Nous souhaitons poursuivre l'étude de la réponse au stress, et le rôle des vésicules dans cette réponse. Le stress semble provoquer l'augmentation du nombre de chromosomes, ce qui pourrait rendre le cellules résistantes au stress. Cette situation rappelle celle de certains cellules cancéreuses qui sont résistantes au stress et possèdent plusieurs copies e chaque chromosomes.

Gorlas A, Krupovic M, Forterre P, Geslin C. Living side by side with a virus: characterization of two novel plasmids from Thermococcus prieurii, a host for the spindle-shaped virus TPV1. Appl Environ Microbiol. 2013 79(12):3822-8 (M)

Gaudin M, Krupovic M, Marguet E, Gauliard E, Cvirkaite-Krupovic V, Le Cam E, Oberto J, and Forterre P.Extracellular membrane vesicles harbouring viral genomes. Environ Microbiol. (2014) 16(4):1167-75.

Gorlas A, Croce O, Oberto J, Gauliard E, Forterre P, Marguet E. Thermococcus nautili sp. nov., a hyperthermophilic archaeon isolated from a hydrothermal deep-sea vent. Int J Syst Evol Microbiol. 2014 64(Pt 5):1802-10.

Oberto J, Gaudin M, Cossu M, Gorlas A, Slesarev A, Marguet E, Forterre P. Genome Sequence of a Hyperthermophilic Archaeon, Thermococcus nautili 30-1, That That Produces Viral Vesicles. Genome Announc. 2014 2(2). pii: e00243-14. doi: 10.1128/genomeA.00243-14

La production de vésicules membranaires (VMs) est un mécanisme universel de communication cellulaire encore peu documenté, mais qui commence à émerger. Les VMs des bactéries, comme les exosomes et ectosomes des eucaryotes, peuvent transférer des toxines, des agents du quorum sensing, des facteurs de pathogénicité, de l’ARN et sans doute de l’ADN. Le but du projet « ThermoVesicle » sera d’étudier les VMs produites par différents groupes d’archées (Thermococcales, Methanococcales) et de bactéries (Thermotogales) hyperthermophiles. Un effort sera particulièrement porté sur l’interaction des MVs avec les virus infectant ces souches, et sur leur rôle possible dans le transfert de gènes entre différents groupes de microorganismes colonisant le même environnement. Le projet regroupe deux partenaires qui travaillent depuis longtemps sur les hyperthermophiles. Le groupe de Patrick Forterre à Orsay (partenaire 1) a récemment caractérisé des VMs chez les Thermococcales. Ces VMs peuvent recruter des plasmides endogènes et exogènes et les transférer entre cellules. Une nouvelle souche isolée dans ce laboratoire, Thermococcus nautilus, dont le génome a été récemment séquencé, produit des VMs portant un génome viral. Claire Geslin, (partenaire 2), à Brest, a isolé les deux seuls virus connus chez les Thermococcales. L’un d’entre eux, TPV1 (Thermococcus prieurii Virus 1) peut infecter Thermococcus kodakaraensis, un organisme modèle pour lequel des outils génétiques sont disponibles dans le groupe du partenaire 1. Claire Geslin a aussi observé que les Methanococcales et les Thermotogales sont de bons producteurs de vésicules, et a isolé les deux premiers virus infectant des Thermotogales. Les deux partenaires vont combiner leurs expertises, leurs matériels biologiques et leurs équipements pour initier une nouvelle collaboration, afin de réaliser de réelles avancées dans l’étude des VMs et ouvrir de nouvelles lignes de recherche en étudiant l’interaction entre VMs et virus. Les objectifs seront d’étudier en parallèle les mécanismes moléculaires impliqués dans la production et la fusion des VMs et des virions. Nous allons aussi réaliser une analyse comparative des VMs des différents groupes étudiés. Le partenaire 2 a récemment observé que les MVs produites par T. nautilus, préparées par le partenaire 1, inhibent spécifiquement la croissance de plusieurs espèces de Thermococcales. Dans ce projet, nous allons essayer de déterminer la nature des facteurs de toxicité associés aux VMs et leurs spectres d’action. Nous allons étudier les mécanismes de recrutement de l’ADN par les VMs et déterminer si les VMs peuvent aussi être utilisées pour transférer de l’ADN génomique. Des analyses in silico ont révélé des transferts horizontaux de gènes (HGT) entre des archées et des bactéries hyperthermophiles, mais les mécanismes ne sont pas connus. Nous allons explorer la possibilité d’utiliser les VMs pour transférer l’ADN entre différents groupes d’archées ou entre archées et bactéries (deux des trois domaines du vivant). Plusieurs éléments suggèrent de possibles connections entre VMs et virus : les VMs ressemblent à des virions, suggérant un lien évolutif possible, par ailleurs, le partenaire 1 a récemment découvert que des VMs peuvent transporter un plasmide d’origine viral. L’étude des relations fonctionnelles et évolutives entre VMs et virus sera un aspect important et original de ce projet. Nous utiliserons les virus découverts dans le laboratoire du partenaire 2 comme systèmes modèles pour déterminer si les MVs peuvent interférer avec les infections virales. L’importance des VMs en biologie est depuis toujours sous-estimée. Plusieurs actions seront menées pour remédier à cette situation. En particulier, nous voudrions organiser à la fin de ce projet le premier colloque international sur les VMs des trois domaines du vivant.