1

Aix-Marseille Universit

Facult de Mdecine de Marseille

Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Sant

THESE DE DOCTORAT

prsente et soutenue le 18 Dcembre 2013 par

Mano Joseph MATHEW

En vue de l'obtention du grade de docteur de l'Universit Aix-Marseille

Spcialit : Pathologie humaine et Maladies Infectieuses

______________________________________________________________________________

Insight into intracellular bacterial genome repertoire

using comparative genomics

______________________________________________________________________________

Composition du jury :

M. le Professeur Jrme ETIENNE Rapporteur

M. le Professeur Max MAURIN Rapporteur

M. le Professeur Jean-Louis MEGE Prsident du Jury

M. le Professeur Didier RAOULT Directeur de Thse

Unit de Recherche sur les Maladies Infectieuses Tropicales et

Emergentes (URMITE), UM 63 CNRS 7278 IRD 198 INSERM 1095

2

3

To my Lord, precious family and friends

4

5

Preamble

Le format de prsentation de cette thse correspond une

recommandation de la spcialit Maladies Infectieuses et Microbiologie,

l'intrieur du Master de Sciences de la Vie et de la Sant qui dpend de

l'Ecole Doctorale des Sciences de la Vie de Marseille. Le candidat est

amen respecter des rgles qui lui sont imposes et qui comportent un

format de thse utilis dans le Nord de l'Europe permettant un meilleur

rangement que les thses traditionnelles. Par ailleurs, la partie

introduction et bibliographie est remplace par une revue envoye dans

un journal an de permettre une valuation extrieure de la qualit de la

revue et de permettre l'tudiant de le commencer le plus tt possible

une bibliographie exhaustive sur le domaine de cette thse. La thse est

prsente sur article publi, accept ou soumis associ d'un bref

commentaire donnant le sens gnral du travail. Cette forme de

prsentation a paru plus en adquation avec les exigences de la

comptition internationale et permet de se concentrer sur des travaux

qui bnficieront d'une diffusion internationale.

Professeur Didier RAOULT

6

Abstract

Prokaryotic microorganisms are prevalent in all the

environments on Earth. Given their ecological ubiquity, it is not

surprising to find many prokaryotic species in close relationships

with members of many eukaryotic taxa, often establishing a

persistent association, which is known as symbiosis. Conforming to

the fitness effects on the members of the symbiotic relationship,

associations can be referred to as parasitism, mutualism or

commensalism and, depending on the location of the symbiont with

respect to host cells, as ectosymbiosis or endosymbiosis. Genome

sequencing, especially using Next Generation Sequencing (NGS) has

changed radically the face of microbiology and has helped to discern

how the diverse group of intracellular bacteria evolved to survive

and replicate in host cells. Therefore, the initial purpose of my thesis

is to understand with the help of comparative genomics, genomic

variations based on coexistence, by examining data on the ancient

existence of intracellular bacteria, their host adaptation and the

differences between sympatry and allopatry. The first part of my

thesis is a review giving insight into intracellular bacterial genome

repertoire and symbionts. The goal of this review is to explore how

intracellular microbes acquire their specific lifestyle. Due to their

different evolutionary trajectories, these bacteria have different

genomic compositions. We reviewed data on the ancient existence

of intracellular bacteria, their host adaptation and the differences

between sympatry and allopatry. Furthermore, we elaborate on the

genomic repertoire to understand the phenomenon of gene loss in

intracellular bacteria. To understand the genomic repertoire and its

composition in intracellular bacteria, it is essential to understand

specialization in bacteria with respect to their niches. A comparison

of the genomic contents of bacteria with certain lifestyles revealed

the bacterial capacity to exchange genes to different extents,

7

depending on the ecosystem. Moreover, genomics has provided

important clues to the mechanisms driving the genome-reduction

process, the functions that are retained when a species becomes

intracellular, and the role of the host in molding the genomic

composition of intracellular bacteria. The second part of my thesis

present about the genome sequence of Diplorickettsia massiliensis

strain 20B which is an obligate intracellular, gram negative

bacterium isolated from Ixodes ricinus ticks collected from Slovak. In

the third part, we investigated the genome repertoire of

Diplorickettsia massiliensis compared to closely related bacteria

according to its niche, revealing its allopatric lifestyle. In this study,

we compared the genomic features of Diplorickettsia massiliensis

with twenty-nine sequenced Gammaproteobacteria species

(Legionella strains, Coxiella burnetii strains, Francisella tularensis

strains and Rickettsiella grylli) using multi-genus pangenomic

approach. This thesis work provides original data and sheds light on

intracellular bacterial diversity.

Keywords : Intracellular bacteria, Diplorickettsia massiliensis,

genome repertoire, allopatry, sympatry, pangenome,

gammaprotebacteria

8

Rsum

Les microorganismes sont prsents dans presque tous les

habitats de la plante. Compte tenu de leur ubiquit cologique, il

n'est pas surprenant de trouver de nombreuses espces procaryotes

en relations troites avec des membres de nombreux taxons

eucaryotes, tablissant souvent une association persistante appele

symbiose. En fonction des interactions entre les partenaires au sein

de cette relation symbiotique, celle ci peut tre considre comme

du parasitisme, du mutualisme ou du commensalisme. Et selon

l'emplacement du symbiote par rapport aux cellules de l'hte,

comme de l'ectosymbiose ou de l'endosymbiose. Le squenage des

gnomes, en particulier le squenage haut dbit (NGS), a

YoYet aYlioY ote IopYhesio de lYolutio des diffrents groupes de bactries intracellulaires et de leur survie au

sein des cellules htes. LoHjeItif de Iette thXse est doI de comprendre, avec l'aide de la gnomique comparative, les variations

gnomiques lies la coexistence, en examinant les donnes

concernant l'existence ancienne de bactries intracellulaires, leur

adaptation leur hte et les diffrences entre sympatrie et

allopatrie. La premire partie de ma thse est une revue donnant un

aperu du rpertoire gnomique des bactries intracellulaires et de

leurs symbiotes. L'objectif de cette tude est d'explorer le processus

permettant aux bactries intracellulaires d'acqurir leur mode de

vie spcifique. En raison de leurs diffrentes voies volutives, ces

bactries ont des compositions gnomiques diffrentes. Nous avons

commenc par examiner les donnes propos de l'existence

ancienne de bactries intracellulaires, leur adaptation leur hte et

les diffrences entre sympatrie et allopatrie. En outre, nous avons

explor le rpertoire gnomique de ces bactries pour comprendre

le phnomne de perte de gnes chez les bactries intracellulaires.

Pour comprendre le rpertoire gnomique et sa composition chez

9

bactries intracellulaires, il est ncessaire de comprendre la

spcialisation de ces bactries par rapport leurs niches. Une

comparaison du contenu gnomique de plusieurs bactries avec

diffrents modes de vie a rvl la capacit des bactries changer

des gnes des degrs diffrents, en fonction de l'cosystme.

Dailleus, la gYoiue a foui dipotats indices sur, les mcanismes causant le processus de rduction des gnomes, les

fonctions qui sont conservs losuue espce devient itaIellulaie et liflueIe ue l'hte peut aoi su la Iopositio gnomique des bactries intracellulaires. La deuxime partie de ma

thse porte sur la squence du gnome de la souche Diplorickettsia

massiliensis 20B qui est une bactrie intracellulaire obligatoire

Gram ngatif isole partir des tiques de Slovaquie Ixodes ricinus.

Dans ma troisime et dernire partie, nous explor le rpertoire du

gnome de Diplorickettsia massiliensis en le comparant aux

gnomes de bactries phylogntiquement trs proches de

Diplorickettsia massiliensis, issues de diffrentes niches. Ceci a

permis de rvl son mode de vie allopatrique. Dans cette tude,

nous avons compar les caractristiques du gnome de

Diplorickettsia massiliensis avec vingt-neuf espces squences de

Gammaproteobacteria (Legionella, Coxiella burnetii, Francisella

tularensis et Rickettsiella grylli) en utilisant l'approche

pangnomique multi-genre. Ce travail de thse fournit des donnes

oigiales et peet dappote plus de luiXe su la diesitY des bactries intracellulaires.

Mots cls : Bactries intracellulaires, Diplorickettsia massiliensis,

rpertoire gnomique, sympatrie, allopatrie, pangnom,

Gammaproteobacteria

10

11

Contents

Preamble 5

Abstract 6

Rsum 8

Content