Les systèmes de défense limitent l’infection des bactéries non seulement par les phages, mais aussi plus généralement par les éléments génétiques mobiles, tels que les plasmides. Les génomes bactériens portent en moyenne 5 systèmes de défense, mais le nombre et la composition des systèmes sont très variables d’un génome à l’autre, même entre des génomes par ailleurs très similaires. Nos projets actuels visent à mieux comprendre l’impact des défensomes sur les interactions phage-bactérie, la manière dont leur activité est régulée par l’environnement et les pressions sélectives qui déterminent leur composition.
Une autre ligne de recherche importante de notre groupe vise à mieux comprendre comment les phages co-infectant la même population hôte interagissent entre eux, et comment ces interactions influencent la dynamique éco-évolutive des phages et des bactéries.
Rôle des éléments génétiques mobiles dans la propagation de la résistance aux antiviraux
Les éléments génétiques mobiles (EGM), présents dans la plupart des bactéries, sont souvent porteurs de gènes adaptatifs (par exemple, résistance antimicrobienne, virulence) et sont des acteurs clés du transfert horizontal de gènes. Ils comprennent les phages, les éléments conjugatifs, leurs satellites et les éléments mobilisables. Des études récentes ont révélé que les systèmes de défense sont en fait très souvent portés par les MGE eux-mêmes, ce qui suggère que les systèmes de défense sont principalement impliqués dans la compétition MGE-MGE plutôt que dans le conflit bactérie-MGE. En particulier, les plasmides conjugatifs et les prophages portent fréquemment des systèmes de défense et pourraient donc être des acteurs clés dans la propagation des mécanismes de résistance contre les EGM, et en particulier contre les phages virulents.
En utilisant Pseudomonas aeruginosa comme modèle, nous visons à quantifier la propagation des prophages défensifs au sein de la population bactérienne, en présence ou en l’absence de phages virulents, et à déterminer comment cette propagation varie en fonction du type de mécanisme de défense sous-jacent (qui peut être associé à des coûts de fitness variables) et en fonction de divers paramètres écologiques et environnementaux. Nous étudierons également la coévolution tripartite entre phage virulent – prophage – bactérie et caractériserons les acteurs évolués par des analyses phénotypiques et génomiques.
En utilisant des approches similaires, nous étudierons chez Escherichia coli le rôle des plasmides conjugatifs dans la propagation de la résistance aux phages et, réciproquement, nous mesurerons l’impact des phages sur la dissémination des plasmides. La pression sélective imposée par les phages peut favoriser la dissémination des plasmides défensifs et nous étudierons les conditions mécanistiques et écologiques qui favorisent ce résultat, de l’échelle cellulaire à l’échelle de la population.
Écologie et évolution des communautés de phages
Des données métagénomiques récentes suggèrent que les phages partagent fréquemment des hôtes communs, ce qui leur donne l’occasion d’interagir entre eux. Peu de mécanismes d’interactions directes entre phages et phages, tels que l’exclusion de la surinfection, ont été étudiés en détail. Les phages peuvent également interagir indirectement s’ils consomment des parts différentes de la même population hôte, ou via l’induction de réponses immunitaires bactériennes qui peuvent être plus préjudiciables à un phage qu’aux autres. Ces interactions peuvent avoir des effets différents et inégaux sur l’épidémiologie de chaque phage en interaction, mais leurs mécanismes et leurs conséquences ont été très peu étudiés. Par la mise en place d’une approche systématique chez E. coli, où nous mesurerons les abondances relatives de 2 phages lors d’une compétition par paire, nous chercherons à répondre aux questions suivantes :
Les interactions sont-elles mutualistes ou antagonistes ? Quelles sont les bases génétiques et mécanistiques de l’un ou l’autre type d’interaction ? Peut-on les prédire en se basant sur la connaissance des génomes de phages ? Quelles sont leurs conséquences pour l’écologie et l’évolution des populations de phages ?
Déterminants de la gamme d’hôtes des phages
La reconnaissance de structures spécifiques à la surface de la cellule (par exemple, protéine, LPS, capsule) est la première étape qui détermine la sensibilité d’une bactérie à un phage. Une fois que le phage s’est adsorbé sur sa bactérie cible et a éjecté son génome, les systèmes de défense intracellulaires constituent le deuxième facteur déterminant de la sensibilité au phage. Parmi les structures de surface ou les systèmes de défense, lequel est le principal déterminant de la sensibilité aux phages ? Il est essentiel de répondre à cette question pour mieux comprendre la gamme d’hôtes des phages. Des travaux récents portant sur cette question ont abouti à des conclusions opposées. Nous avons donc mesuré l’infectivité et l’adsorption de 9 phages sur 125 isolats cliniques de P. aeruginosa. Grâce à des analyses génomiques et statistiques (par exemple, GWAS), nous cherchons à identifier les éléments génétiques qui sont en corrélation avec la sensibilité aux phages.
Dans une étude parallèle, nous avons utilisé une approche génétique directe pour étudier des questions similaires : la suppression systématique de tous les systèmes de défense prédits dans un isolat clinique d’E. coli n’a pas élargi la gamme de phages infectant la souche, ce qui suggère que les facteurs d’adsorption sont de meilleurs prédicteurs de la susceptibilité aux phages.
En résumé, nous utilisons des approches multidisciplinaires de la génomique, de l’écologie microbienne, de la biologie évolutive et de la génétique pour étudier les interactions phage-hôte, phage-phage et phage-plasmide de l’échelle cellulaire à l’échelle de la population.
Nos recherches fourniront des informations fonctionnelles sur les mécanismes, l’écologie et l’évolution de la résistance aux phages chez les pathogènes Escherichia coli et Pseudomonas aeruginosa et aideront à mieux comprendre la dynamique des populations naturelles de phages. Nos résultats seront importants pour le développement de la thérapie par les phages, une alternative prometteuse aux antibiotiques, mais qui est confrontée à la même menace de propagation rapide de la résistance.
