Project

Discipline

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

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.

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Last update: 19.12.2018

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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