Understanding the hypovirulence and hypervirulence of listeria monocytogenes
Institution:
Université de Paris (2019-....)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Listeria monocytogenes is an opportunistic foodborne bacterial pathogen, which is ubiquitous due to its remarkable level of adaptation to challenging growth conditions. It can cause listeriosis in humans, a potentially lethal infection that mainly affects immunocompromised individuals and pregnant women. Its ability to invade non-phagocytic cells, especially small intestine epithelial goblet cells, relies on the bacterial surface protein InlA and constitutes an essential aspect of its pathogenesis. The population of Lm is heterogeneous and can be divided into four main lineages each containing clonal subpopulations. Lineage II clones CC9 and CC121 are over-represented among food isolates. However, they are hypovirulent and cause few clinical cases. In contrast, lineage I clones CC1, CC4, and CC6 are over-represented among clinical isolates and are hypervirulent. The objectives of this thesis are to understand the molecular mechanisms underlying hypovirulence and hypervirulence and the biological contexts in which they evolved.Our results first show that almost all isolates belonging to clones CC9 and CC121 harbor mutations leading to InlA truncation. Indeed, the purifying selective pressure on the inlA gene was relieved in different clonal complexes of lineage II compared to lineage I. In this background, InlA-truncating mutations evolved by positive selection independently in several phylogenetically distant lineage II clones including CC9 and CC121. InlA truncation abolished the ability of these isolates to invade non-phagocytic cells in vitro and to cross the intestinal barrier in vivo. Importantly, it also enhanced the ability of these isolates to form biofilms and therefore to colonize surfaces.We also found that CC1 displayed hypervirulence during the intestinal phase of the infection. More precisely, it showed increased efficiency during multiple steps of intestinal barrier crossing, including adhesion to villi epithelial cells and invasion of the underlying lamina propria, resulting in increased bacterial burdens in the intestinal villi and downstream organs such as the liver and the spleen. Interestingly, we observed a novel phenotype where hypervirulent isolates proliferated and spread between neighboring epithelial cells forming clonal bacterial foci, from which infected cells were extruded back into the lumen. Our results suggest that the biofilm-promoting effect of InlA truncation leads to the positive selection of InlA-truncating mutations and contributes to the successful saprophytic lifestyle of CC9 and CC121 in food production facilities at the expense of virulence. This could explain their high prevalence in contaminated food products while causing few clinical infections. In contrast, CC1 hypervirulent isolates are well adapted to the host gut environment, which we associated to the transcriptional optimization of genes that contribute to host adaptation. Their ability to infect epithelial cells and avoid competition with gut commensals could allow them to better colonize the gut of their hosts such as dairy cattle, thus accounting for their increased association to dairy products and subsequently their high association to human listeriosis cases.
Abstract FR:
Listeria monocytogenes est une bactérie pathogène opportuniste d'origine alimentaire capable de s'adapter à des conditions de croissance stringentes. Lm est responsable de la listériose, une infection potentiellement létale touchant principalement les individus immunodéprimés et les femmes enceintes. Sa capacité à s’internaliser dans les cellules non-phagocytaires, dont les cellules épithéliales caliciformes de l'intestin, repose sur la protéine de surface InlA et constitue un aspect essentiel de sa pathogénèse. La structure phylogénétique de Lm est hétérogène, cette espèce étant classée en quatre lignées principales contenant des sous-populations clonales. Les clones CC9 et CC121 de la lignée II sont sur-représentés parmi les isolats d'origine alimentaire mais sont hypovirulents, provoquant peu d'infections humaines. En revanche, les clones CC1, CC4, et CC6 sont sur-représentés parmi les isolats d'origine clinique et sont hypervirulents. Cette thèse a pour objectif d'étudier les mécanismes moléculaires de l'hypovirulence et l'hypervirulence de Lm, ainsi que de clarifier leur contexte évolutif.Nos résultats ont montré que la quasi-totalité des isolats appartenant à CC9 et CC121 présentent des mutations conduisant à la troncation d'InlA. Nous avons mis en évidence que la pression de sélection purificatrice sur le gène inlA a été relâchée dans différents complexes clonaux de la lignée II par rapport à la lignée I. Les mutations menant à la troncation d'InlA sont ainsi apparues par sélection positive de manière indépendante dans plusieurs clones situés sur des branches phylogénétiques distantes de la lignée II, dont CC9 et CC121. La troncation d'InlA abolit la capacité de ces isolats à envahir les cellules non-phagocytaires in vitro, et à traverser la barrière intestinale in vivo. Cependant elle favorise leur capacité à former un biofilm, leur permettant ainsi de mieux coloniser les surfaces.Nous avons également montré que l'hypervirulence du clone CC1 est révélée lors de la phase intestinale de l'infection. En effet, ces isolats adhèrent de manière plus efficace aux cellules épithéliales et infectent la lamina propria sous-jacente, conduisant à une charge bactérienne plus élevée dans les villi intestinaux et les organes en aval tels que le foie et la rate. De façon surprenante, nous avons constaté un nouveau phénotype chez ces isolats hypervirulents qui forment des foyers intracellulaires de prolifération dans la couche épithéliale de l'intestin grêle, accompagnés d'une extrusion des cellules infectées. Nos résultats suggèrent que la sélection positive de la troncation d'InlA a permis une meilleure survie de CC9 et CC121 en favorisant la formation de biofilm, contribuant ainsi au succès adaptatif de CC9 et CC121 dans l'industrie agro-alimentaire en tant que saprophytes au détriment de leur virulence. Ces résultats pourraient expliquer la présence importante de ces clones dans les aliments contaminés mais leur faible association avec les cas cliniques. En revanche, les isolats du clone hypervirulent CC1 sont mieux adaptés à l'environnement du tube digestif, que nous avons associé à l'optimisation transcriptionnelle des gènes impliqués dans l'adaptation à l'hôte. Leur capacité à infecter les cellules épithéliales et ainsi à échapper à la compétition avec les autres microbes commensaux leur permettrait de mieux coloniser le tube digestif de leur hôte, tel que les vaches laitières, ce qui expliquerait leur association importante avec les produits laitiers et avec les cas de listériose humaines.