Project

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Hétérogénéité phénotypique de Legionella pneumophila

English title Phenotypic Heterogeneity of Legionella pneumophila
Applicant Personnic Nicolas
Number 185529
Funding scheme Ambizione
Research institution Institut für Medizinische Mikrobiologie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Experimental Microbiology
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2019
Approved amount 134'034.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Experimental Microbiology
Environmental Research

Keywords (14)

Legionella; Bet-hedging; Eco-pathology; Vacuole; Heterogeneity; Community; Subpopulation; Amoeba; Proteome; Quorum-sensing; ncRNA; Virulence; Persister; Metabolism

Lay Summary (French)

Lead
Les travaux concernant Legionella pneumophila porte sur le comportement global de la population bactérienne étudiée plutôt que sur les individus qui la composent. Notre projet vise l’identification de comportements individuels distincts dans une population isogénique de Legionella pneumophila lors de l’infection de cellules phagocytaires et la caractérisation des causes et conséquences de l'hétérogénéité phénotypique dans le processus infectieux.
Lay summary

Legionella pneumophila est une bactérie de l’environnement résidant dans les eaux douces aussi bien que dans les réseaux d’eau potable. C’est un agent pathogène humain opportuniste à l’origine d’une pneumonie potentiellement mortelle, la maladie du Légionnaire, dont le nombre de cas rapportés est en forte progression en Suisse.

 

La capacité de Legionella à survivre dans des environnements très différents repose notamment sur sa remarquable faculté à se répliquer dans les cellules phagocytaires et normalement bactéricides telle que les amibes ou les macrophages alvéolaires du poumon. Une fois phagocytée, Legionella établit une niche propice à sa réplication en piratant les fonctions cellulaires de la cellule infectée par la sécrétion de centaines « d’effecteurs » protéiques.

 

Les travaux concernant Legionella ont toujours porté sur le comportement global de la population bactérienne plutôt que sur les individus qui la composent. Ils ignorent de fait qu’une population bactérienne isogénique (génétiquement identique) est constituée d’individus phénotypiquement hétérogènes. Nous avons démontré que Legionella utilise le quorum-sensing (système de communication inter-bactérien) pour former, dans les cellules phagocytaires, une sous-population d’individus non-prolifératifs, antibio-résistant et très infectieux.

 

A la fin de l’infection, les cellules phagocytaires contiennent un grand nombre de Légionelles provenant de la sous-population proliférative. De manière surprenante, nous avons identifié une spécialisation phénotypique chez certains individus indiquant un possible comportement communautaire. Le projet que nous proposons ambitionne d’identifier les bases moléculaires et les conséquences fonctionnelles de l’hétérogénéité phénotypique de Legionella à la fin d’un cycle infectieux.

 

Cette étude permettra une meilleure compréhension de l’interaction hôte-pathogène ainsi que des mécanismes régissant la colonisation de l’environnement naturel et d’un l’hôte par une bactérie pathogène.

Direct link to Lay Summary Last update: 19.12.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Mycobacterium marinum produces distinct mycobactin and carboxymycobactin siderophores to promote growth in broth and phagocytes
Knobloch Paulina, Koliwer‐Brandl Hendrik, Arnold Fabian M., Hanna Nabil, Gonda Imre, Adenau Sophia, Personnic Nicolas, Barisch Caroline, Seeger Markus A., Soldati Thierry, Hilbi Hubert (2020), Mycobacterium marinum produces distinct mycobactin and carboxymycobactin siderophores to promote growth in broth and phagocytes, in Cellular Microbiology.
Quorum sensing modulates the formation of virulent Legionella persisters within infected cells
Personnic Nicolas, Striednig Bianca, Lezan Emmanuelle, Manske Christian, Welin Amanda, Schmidt Alexander, Hilbi Hubert (2019), Quorum sensing modulates the formation of virulent Legionella persisters within infected cells, in Nature Communications, 10(1), 5216-5216.
PIKfyve/Fab1 is required for efficient V-ATPase and hydrolase delivery to phagosomes, phagosomal killing, and restriction of Legionella infection
Buckley Catherine M., Heath Victoria L., Guého Aurélie, Bosmani Cristina, Knobloch Paulina, Sikakana Phumzile, Personnic Nicolas, Dove Stephen K., Michell Robert H., Meier Roger, Hilbi Hubert, Soldati Thierry, Insall Robert H., King Jason S. (2019), PIKfyve/Fab1 is required for efficient V-ATPase and hydrolase delivery to phagosomes, phagosomal killing, and restriction of Legionella infection, in PLOS Pathogens, 15(2), e1007551-e1007551.
LegionellaMethods and Protocols
Personnic Nicolas, Striednig Bianca, Hilbi Hubert (2019), LegionellaMethods and Protocols, Springer New York, New York, NY.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. Balestrino / University Clermont - Auvergne France (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Klaus Eyer / ETH Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Proteomic core facility / Biozentrum Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Center for Microscopy and Image Analysis / University of Zürich Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Annelies Zinkernagel, USZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. Enninga Jost / Institut Pasteur France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Invited talk at the Institut Pasteur (department of Microbiology - Prof. Pizarro-Cerda) Individual talk Intracellular life stage promotes extended Legionella cell to cell variations 31.01.2020 Paris, France Personnic Nicolas;
Invited talk at the University of Lausanne (Prof. Greub) Individual talk Intracellular life stage promotes extended Legionella cell to cell variations 17.01.2020 Lausanne, Switzerland Personnic Nicolas;
Translational Medicine seminar series Individual talk Bacterial Individuality and Infection 04.12.2019 Zürich, Switzerland Personnic Nicolas;
Invited talk at the University of Zürich (Prof. Greber) Individual talk Quorum sensing elicits a subpopulation of vacuolar virulent Legionella persisters 23.09.2019 Zürich, Switzerland Personnic Nicolas;
SSM2019 Talk given at a conference Intracellular life stages promotes extended Legionella cell to cell variations 03.09.2019 Zürich, Switzerland Personnic Nicolas;
SSM2019 Poster Intravacuolar growth promotes Legionella phenotypic heterogeneity to boost pathogen spread 03.09.2019 Zürich, Switzerland Striednig Bianca; Personnic Nicolas;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
161492 Hétérogénéité phénotypique de Legionella pneumophila lors d'infection de cellules phagocytaires 01.01.2016 Ambizione

Abstract

Clonal bacterial populations show remarkable cell-to-cell variations in the expression of phenotypic traits, a phenomenon termed phenotypic heterogeneity. Legionella pneumophila is a facultative intracellular, Gram-negative bacterial pathogen ubiquitously found in nature. It is the responsible agent for the potentially life-threatening pneumonia called Legionnaires’ disease. L. pneumophila resides in multi-species biofilms hosting protozoan predators, survives its ingestion by the free living amoeba Acanthamoeba castellanii, and replicates in a customized intracellular compartment, the Legionella containing vacuole (LCV). The Legionella Quorum Sensing (LQS) is key to colonize those different niches.Using adequate fluorescent reporters and single cell techniques, we investigated for the first time the single cell behavior of L. pneumophila. We discovered that heterogeneous expression of the LQS signal organizes non-growing, yet virulent, bacteria in functionally distinct subpopulations. This alternative “priming” leads to a marked growth rate heterogeneity in infected amoeba and promotes persister formation. Interestingly, those persisters reside in distinct ad hoc LCV, remains virulent, yet non-replicative, and show specific proteomic signatures.At the later stage of infection, A. castellanii amoebae host a large number of clustered bacteria originating from the pool of replicating bacteria. Strikingly, the bacterial population shows phenotypically distinct individual bacteria that are spatially organized. The observed phenotypic heterogeneity is, at least partially, dependent on environmental cues. At the end of the infection cycle, the host cell undergoes explosive lysis and releases its contents into the environment. This spectacular finale raises the question of the functional consequences of distinct intracellular bacterial subpopulations.In this follow-up proposal, I propose to decipher molecular basis and the functional consequences of the observed L. pneumophila intra-cellular community behavior. The specific aims of this proposal are:2) To study L. pneumophila community traits and subpopulation spatial organization in infected amoeba.3) To characterize the temperature-dependent bistable expression of L. pneumophila non-coding RNA
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