Insight into intracellular bacterial genome repertoire using

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Transcript of Insight into intracellular bacterial genome repertoire using

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    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

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    To my Lord, precious family and friends

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    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

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    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,

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    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

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    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

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    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

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    Contents

    Preamble 5

    Abstract 6

    Rsum 8

    Content