Impact of temperate phages on the stability of the gut microbiota : lysogeny is not a long quiet river
Impact des phages tempérés sur la stabilité du microbiote intestinal : la lysogénie n'est pas un long fleuve tranquille
Résumé
A growing number of associations is observed between various human pathologies and intestinal dysbiosis, here defined as an alteration of the microbiota composition. Among the potential factors inducing dysbiosis, bacteriophages, called phages, are relevant candidates by their predatory function.The aim of the thesis was to determine whether prophages of bacterial strains from the human gut microbiota have a negative impact on the stability of their host in the gut environment. We studied this question by using germ-free mice colonized first with Escherichia coli strain LF82, then inoculated with two bacterial strains belonging to dominant species of the human intestinal microbiota, Faecalibacterium prausnitzii strain A2-165 or Roseburia intestinalis strain L1-82. Each of these strains has two prophages in its genome, Lagaffe and Mushu for F. prausnitzii, Jekyll and Shimadzu for R. intestinalis. The impact of these prophages was also studied during intestinal inflammation using DSS (Dextran Sulfate Sodium)-induced colitis in mice.In mice colonized with F. prausnitzii and E. coli , prophages of F. prausnitzii did not have any deleterious activity for the bacterial host, even during DSS-induced inflammation. In order to better characterize prophages of the F. prausnitzii species, a bioinformatic analysis carried out on 15 strains of F. prausnitzii highlighted that the prevalence of Mushu and Lagaffe was low. However, this analysis revealed also an enormous diversity of phages and we described 18 species of prophages divided into 8 new proposed genera. An in silico study of their abundance in 173 human intestinal viromes revealed that the phage genera 'Lugh' and 'Epona' were more present and/or abundant in viromes of Inflammatory Bowel Disease (IBD) patients compared to healthy subjects. Given that IBD patients have lower populations of F. prausnitzii in their microbiota compared to healthy subjects, our observations suggest an increased activity of these phages during disease. They may trigger or worsen population decline of F. prausnitzii in patients, participating thus to the aggravation of IBD symptomsIn mice colonized with R. intestinalis and E. coli, we did not observe variation of Jekyll population or deleterious effect of this phage on its host. In contrast, the Shimadzu population was not stable. Indeed, even in the absence of DSS treatment we observed in all mice the emergence of a virulent mutant of Shimadzu, called Shi-vir. This mutant massively lysed R. intestinalis, leading to a collapse of the bacterial host population. Then this population rose back to its original level thanks to the emergence of bacterial mutants resistant to the viral infection. This resistance was mainly due to the acquisition of a spacer associated with the CRISPR-Cas type IIC system of R. intestinalis, directed against the Shimadzu phage. However, acquisition of this spacer could not be observed unless the Shimadzu prophage was cured from the strain, showing that this spacer would kill the Shimadzu lysogen.I have shown therefore that a prophage can destabilize its host population in the intestinal environment and create transient intestinal dysbiosis. I have also highlighted that the selection pressure imposed by an ex-temperate phage infection, the Shi-vir phage, has allowed an acceleration of its host evolution.Overall, this work establishes that a fraction of the temperate phages present in intestinal microbiota may impact negatively bacterial population stability, either because the phage/bacteria ratio increases (for the Lugh and Epona phages de F. prausnitzii), or because the temperate phage evolves towards virulence (case of the Shi-vir mutant on R. intestinalis), and induces a transient dysbiosis.
Un nombre grandissant d’associations entre diverses pathologies humaines et dysbiose intestinale (définie ici comme altération de la composition du microbiote par rapport à sa composition habituelle) sont observées. Parmi les facteurs qui pourraient induire la dysbiose, les bactériophages (dit phages), sont des candidats pertinents par leur fonction prédatrice.L’objectif de la thèse a été de déterminer si les prophages de souches bactériennes du microbiote intestinal humain ont un impact négatif sur la stabilité de leur hôte dans l’intestin. Pour cela, nous avons utilisé des souris sans germes primo-colonisées avec la souche Escherichia coli LF82, puis inoculées soit avec Faecalibacterium prausntizii A2-165, soit avec Roseburia intestinalis L1-82, deux souches appartenant aux espèces dominantes du microbiote intestinal humain. Chacune de ces souches possède deux prophages dans son génome, Lagaffe et Mushu pour F. prausnitzii, Jekyll et Shimadzu pour R. intestinalis. L’impact des prophages a également été étudié lors d’une inflammation intestinale induite au DSS.Pour la combinaison F. prausnitzii/E. coli, aucun des deux prophages de F. prausnitzii n’a d’activité délétère pour son hôte bactérien chez la souris, même durant une inflammation induite au DSS. Afin de mieux caractériser l’ensemble des prophages présents chez cette espèce, une analyse bio-informatique effectuée sur 15 souches de F. prausnitzii a permis de constater que la prévalence de Mushu et Lagaffe était faible, mais aussi de découvrir une remarquable richesse phagique : au total, 18 espèces de prophages répartis en nouveaux 8 genres viraux ont été décrits. Une étude in silico de l’abondance de ces phages dans les viromes intestinaux humains a révélé que des phages du genre ‘Lugh’ et ‘Epona’ sont plus souvent présents et/ou abondants dans les viromes de patients des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) que chez les individus sains. Sachant que les patients atteints de MICI ont une population appauvrie de F. prausnitzii dans leur microbiote, ces observations suggèrent une activité accrue de ces phages pendant la maladie : ils pourraient déclencher ou aggraver la baisse de population de F. prausnitzii dans les patients, participant ainsi à l’aggravation des symptômes des MICI.Avec la combinaison R. intestinalis/E. coli., aucune variation de population ou effet délétère du phage Jekyll n’a pu être observé. En revanche, la population du phage Shimadzu est loin d’être stable. Dans toutes les souris, et même en l’absence d’un traitement au DSS, un mutant virulent de Shimadzu émerge, appelé Shi-vir. Ce mutant lyse massivement la population intestinale de R. intestinalis, menant à un effondrement de la population hôte. La population bactérienne remonte ensuite à son niveau initial grâce à l’émergence de mutants bactériens résistants à l’infection. Cette résistance a essentiellement pour origine l’acquisition d’un espaceur associé au système CRISPR-Cas de type IIC de R. intestinalis, et dirigé contre le phage Shimadzu. Cependant, l’acquisition de cet espaceur ne peut se faire sans qu’une sous-population de R. intestinalis soit préalablement guérie du prophage Shimadzu, sans quoi un tel espaceur tuerait la bactérie.J’ai ainsi démontré qu’un prophage peut déstabiliser sa population hôte dans l’environnement intestinal et créer des dysbioses intestinales transitoires. La pression de sélection qui résulte de l’infection par le phage Shi-vir a permis l’accélération de l’évolution de l’hôte bactérien.En conclusion, une fraction des phages tempérés du microbiote intestinal pourrait avoir un impact négatif sur la stabilité de sa population hôte dans l’environnement intestinal, soit parce le ratio phage/bactérie augmente dans cet environnement (cas des phages Lugh et Epona de F. prausnitzii), soit parce qu’il évolue vers la virulence (cas de Shi-vir chez R. intestinalis) et induit une dysbiose transitoire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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