Drosophila-Lactobacillus plantarum as a model of facultative nutritional mutualism
Mutualisme nutritionnel facultatif entre animal et bactéries : apport du modèle Drosophile-Lactobacillus plantarum
Résumé
Nutrition is the major environmental factor that determines juvenile growth: inadequate access to nutrients leads to delays in post-embryonic development. The gut microbiota is a key factor in this link between nutrition and growth: some symbiotic bacteria improve the growth of their host facing undernutrition. In our laboratory, we aim to understand the mechanisms of growth promotion by symbiotic bacteria. We use the larva of Drosophila melanogaster as a model. We can control its nutrition using a synthetic nutritional medium. Moreover, we can control its microbiota using axenic larvae (i.e. larvae that are free of any microbe) that we associate with growth-promoting symbiotic bacteria, Acetobacter pomorum and Lactobacillus plantarum (recently reclassified as Lactiplantibacillus plantarum). First of all, we tested how these bacteria influence the nutritional requirements of their host. We systematically removed a single nutrient composing the synthetic medium at a time to identify which nutrients are necessary to the growth of axenic larvae. We then showed that A. pomorum and L. plantarum can provide certain of these nutrients to their host, allowing it to develop on a diet deprived of these nutrients. Moreover, we discovered an additional mechanism: although L. plantarum cannot produce the amino acid Valine, it promotes growth when its host faces amino acid unbalance due to Valine limitation. To dissect this mechanism, we performed a genetic screen using a library of loss-of-functions mutants of L. plantarum. This approach allowed us to identify genes in the bacteria that are essential to this mechanism of growth promotion. We focused on one family of such genes, which encode ribosomal RNA and transfer RNA. L. plantarum mutants for these genes display a reduced capacity to promote its host’s growth. We then sought to understand how bacterial RNA may influence the growth of the host. GCN2 is a kinase conserved in all Eukaryotes that allow adaptation to amino acid unbalance. It is activated by the presence of rRNAs and uncharged tRNAs. Knocking-down GCN2 in the larva’s enterocytes using RNA interference inhibits the ability of L. plantarum to promote growth on a diet unbalanced in Valine. Moreover, we showed that association with L. plantarum activates GCN2 in the host’s enterocytes. Activation of GCN2 by L. plantarum depends partly on the genes encoding rRNAs and tRNAs in L. plantarum. Therefore, we propose that rRNAs and/or tRNAs produced by L. plantarum may activate GCN2 in the host’s gut, promoting adaptation of the host’s physiology to amino acid unbalance and growth. We analyzed the transcriptome of the host’s gut in different conditions and our results suggest that adaptation to an unbalanced diet may rely on the metabolism of the steroid hormone ecdysone. Using complementary approaches of functional genetics in host and bacteria, we identified new mechanisms of host-microbes interactions that explain how symbiotic bacteria may promote the growth of their host in situation of undernutrition.
La croissance juvénile dépend en grande partie de l’alimentation : en situation de sous-nutrition, le développement post-embryonnaire est ralenti. Le microbiote intestinal joue un rôle important dans ce lien entre nutrition et croissance. En effet, certaines bactéries symbiotiques peuvent améliorer la croissance de leur hôte en sous-nutrition. Dans notre laboratoire, nous cherchons à comprendre les mécanismes de promotion de la croissance par des bactéries symbiotiques en utilisant comme modèle la larve de Drosophile. Nous contrôlons sa nutrition grâce à un milieu nutritif synthétique et son microbiote en utilisant des Drosophiles axéniques (i.e. dépourvues de microbiote) que nous pouvons associer avec des bactéries symbiotiques bénéfiques pour la croissance, Acetobacter pomorum et Lactobacillus plantarum (récemment renommé Lactiplantibacillus plantarum). Nous avons tout d’abord testé l’influence de ces bactéries sur les besoins nutritionnels de leur hôte. En retirant chaque nutriment composant le milieu nutritif synthétique un à un, nous avons établi quels nutriments étaient nécessaires à la croissance des larves de Drosophile axéniques. Nous avons ensuite montré que A. pomorum et L. plantarum peuvent fournir certains de ces nutriments à leur hôte, ce qui lui permet de se développer sur un milieu nutritif carencé en ce nutriment. De plus, nous avons découvert un autre mécanisme : L. plantarum améliore la croissance de son hôte en situation de déséquilibre lié au manque d’un acide aminé spécifique (la Valine), sans pour autant produire cet acide aminé. Pour comprendre ce mécanisme, nous avons réalisé un crible génétique en utilisant une banque de mutants perte-de-fonction de L. plantarum. Cela nous a permis d’identifier des gènes essentiels à ce mécanisme. Nous nous sommes concentrés sur une famille de gènes candidats codant pour les ARN ribosomaux et les ARN de transfert. L. plantarum mutant pour ces gènes voit sa capacité d’améliorer la croissance de son hôte réduite. Nous avons ensuite cherché à comprendre comment les ARN bactériens peuvent impacter la croissance de leur hôte. Chez tous les Eucaryotes, la kinase GCN2 permet l’adaptation au stress nutritionnel. GCN2 est activée par des ARN ribosomaux et des ARN de transfert non-chargés. En inhibant génétiquement GCN2 chez la Drosophile, nous avons montré que l’expression de GCN2 dans les cellules de l’intestin est nécessaire pour que L. plantarum puisse promouvoir la croissance larvaire en situation de déséquilibre en Valine. De plus, les larves associées à L. plantarum montrent une activation de GCN2 dans leur intestin, contrairement aux larves axéniques. Cette activation dépend en partie de la présence chez L. plantarum des gènes codant les ARNr et ARNt. Nous proposons donc que les ARNr et/ou ARNt de L. plantarum activent GCN2 dans les cellules de l’intestin de l’hôte, ce qui lui permet de s’adapter et de grandir de façon optimale sur un milieu déséquilibré en acides aminés. Nous avons réalisé une analyse transcriptomique de l’intestin de l’hôte dans différentes conditions, et nos résultats suggèrent que cette adaptation repose notamment sur le métabolisme de l’hormone stéroïdienne ecdysone. Grâce à des approches complémentaires de génétique fonctionnelle chez l’hôte et la bactérie, nos travaux ont ainsi permis d’identifier de nouveaux mécanismes d’interactions entre hôte et microbes qui expliquent comment les bactéries symbiotiques améliorent la croissance de leur hôte en sous-nutrition.
Origine : Version validée par le jury (STAR)