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Étude des interactions hôte-parasite et de leur régulation : caractérisation des mécanismes moléculaires sous-jacents

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Academic year: 2021

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(1)

Étude des interactions hôte-parasite et de leur

régulation :

Caractérisation des mécanismes moléculaires sous-jacents

Thèse

François Olivier Gagnon-Hébert

Doctorat en biologie

Philosophiae doctor (Ph. D.)

Québec, Canada

(2)

Étude des interactions hôte-parasite :

Caractérisation des mécanismes moléculaires sous-jacents et de

leur régulation

Thèse

François Olivier Gagnon-Hébert

Sous la direction de :

Nadia Aubin-Horth, directrice de recherche

Christian Landry, codirecteur

(3)

iii

Résumé

Les$parasites$constituent$le$groupe$d’organismes$le$plus$répandu$et$le$plus$prospère$

sur$Terre.$Un$grand$nombre$d’entre$eux$exploitent$un$cycle$de$vie$complexe$qui$repose$

sur$ l’infection$ successive$ de$ multiples$ hôtes$ aux$ caractéristiques$ physiologiques$

divergentes.$Malgré$des$centaines$d’années$d’étude$sur$leurs$traits$d’histoire$de$vie$et$

leur$ impact$ sur$ les$ phénotypes$ hôtes,$ très$ peu$ d’information$ est$ actuellement$

disponible$ concernant$ les$ mécanismes$ moléculaires$ leur$ permettant$ d’interagir$ avec$

leurs$ hôtes$ et$ la$ manière$ dont$ cette$ interaction$ spécifique$ assure$ leur$ succès$

écologique.$ L’objectif$ de$ cette$ thèse$ a$ été$ de$ générer$ des$ ressources$ moléculaires$ de$

base$pour$permettre$l’étude$intégrée$des$interactions$hôteCparasite$et$la$manière$dont$

ces$ interactions$ sont$ régulées$ au$ cours$ d’une$ infection.$ Pour$ rencontrer$ ces$ objectifs,$

nous$ avons$ exploité$ un$ système$ d’étude$ modèle$ centré$ sur$ le$ parasite$ cestode$

Schistocephalus-solidus,$un$ver$plat$infectant$successivement$un$copépode,$un$poisson$

et$ un$ oiseau.$ Nous$ avons$ généré$ un$ transcriptome$ de$ référence$ pour$ ensuite$

caractériser$les$patrons$de$régulation$des$activités$biologiques$du$parasite$au$cours$de$

l’infection.$Nous$avons$pu$démontrer$des$patrons$de$régulation$très$tranchés$entre$les$

stades$de$vie,$avec$un$rôle$potentiel$des$voies$de$communications$neurales$au$moment$

de$ changer$ d’hôte.$ Nos$ données$ suggèrent$ également$ la$ présence$ de$ protéines$

mimétiques$ candidates$ dans$ le$ génome$ du$ parasite$ ayant$ le$ potentiel$ de$ perturber$

l’activité$ de$ communication$ cellulaire$ chez$ l’hôte.$ Cette$ thèse$ permet$ ultimement$ de$

solidifier$ les$ bases$ de$ l’étude$ mécaniste$ des$ interactions$ hôteCparasite$ et$ fournit$ des$

outils$génomiques$de$référence$qui$serviront$à$consolider$et$étendre$nos$connaissances$

sur$la$structure$des$systèmes$naturels.

(4)

iv

Abstract

Parasites$ are$ the$ most$ widespread$ and$ prosperous$ group$ of$ organisms$ on$ Earth.$

Numerous$ parasitic$ species$ exploit$ a$ complex$ life$ cycle$ that$ relies$ on$ the$ successive$

infection$of$multiple$hosts$with$divergent$physiological$characteristics.$Despite$hundreds$

of$years$of$study$on$their$life$history$traits$and$their$impact$on$host$phenotypes,$very$

little$information$is$currently$available$on$the$molecular$mechanisms$that$allow$them$to$

interact$with$their$hosts$and$how$this$interaction$ensures$their$ecological$success.$The$

general$objective$of$this$thesis$was$to$generate$reference$molecular$resources$for$the$

study$of$hostCparasite$interactions$from$an$integrated$perspective$to$allow$the$discovery$

of$how$these$interactions$are$regulated$during$the$infection.$To$meet$this$objective,$we$

studied$ a$ model$ system$ based$ on$ the$ parasitic$ cestode$ Schistocephalus- solidus,$ a$

flatworm$ that$ successively$ infects$ a$ copepod,$ a$ fish$ and$ a$ bird.$ We$ generated$ a$

reference$ transcriptome$ to$ characterize$ the$ regulatory$ patterns$ gene$ expression$ to$

assess$ which$ biological$ activities$ are$ used$ at$ what$ stage$ of$ the$ infection.$ Our$ results$

revealed$ massive$ regulatory$ changes$ between$ life$ stages,$ with$ a$ potential$ role$ for$

neural$ communication$ pathways$ during$ the$ process$ of$ host$ switching.$ Our$ data$ also$

suggests$ the$ presence$ of$ candidate$ mimicry$ proteins$ in$ the$ genome$ of$ the$ parasite,$

having$ the$ potential$ to$ disrupt$ cellular$ communication$ in$ the$ host’s$ central$ nervous$

system.$ This$ thesis$ ultimately$ allows$ a$ better$ understanding$ of$ the$ mechanisms$

underlying$ hostCparasite$ interactions$ and$ provides$ reference$ genomic$ tools$ that$ will$

help$consolidate$and$extend$our$knowledge$on$the$structure$of$natural$systems.

(5)

v

Table&des&matières

Résumé&...&iii&

Abstract&...&iv&

Table&des&matières&...&ivii&

Liste&des&tableaux&...&viii&

Liste&des&figures&...&ix&

Liste&des&abréviations&et&des&sigles&...&x&

Remerciements&...&xi&

Avant;propos&...&xiv&

Chapitre&I&:&Introduction&générale&...&1&

I.1$Comment$expliquer$le$système$de$la$Nature$de$manière$unifiée$?$...$2$

I.2$La$vie$sur$terre$se$diversifie$et$se$complexifie$selon$des$lois$évolutives$naturelles,$

mesurables$et$empiriques$...$3$

I.3$PeutCon$échapper$aux$lois$fondamentales$de$l’évolution$?$Le$cas$des$parasites$et$

de$leur$(mauvaise)$réputation$...$4$

I.4$Isolement$de$la$parasitologie$des$autres$sciences$biologiques$...$5$

I.5$L’arrivée$de$la$phylogénie$moléculaire$redore$le$blason$des$parasites$...$6$

I.6$Comprendre$ce$qui$fait$d’un$parasite$un$parasite$:$contexte$théorique$de$la$thèse$

et$objectif$principal$...$7$

I.7$Système$d’étude$modèle$appliqué$à$l’écologie$génomique$:$le$cas$de$

Schistocephalus-solidus$et$de$l’épinoche$à$trois$épines$...$9$

I.7.1$Description$du$cycle$de$vie$de$S.-solidus$...$10$

I.7.2$Conséquences$phénotypiques$de$l’infection$subies$par$l’épinoche$à$trois$

épines$...$12$

I.7.3$Que$saitCon$sur$la$biologie$du$parasite$?$...$13$

I.8$Objectifs$spécifiques$de$la$thèse$...$14$

Chapitre&II&:&Ecological&genomics&of&host&behavior&manipulation&by&parasites&...&16&

II.1$Résumé$...$17$

II.2$Abstract$...$18$

II.3$Introduction$...$19$

II.4$Studying$the$mechanisms$involved$in$host$behavior$alteration$...$21$

II.4.1$Candidate$molecules$...$22$

II.4.2$A$largeCscale$perspective$on$parasiteCmediated$behavior$alterations$...$24$

II.4.3$Groundbreaking$proteomics$studies$...$26$

(6)

vi

II.4.4$Studying$molecular$convergence$of$behavior$manipulation$with$proteomics$27$

II.4.5$Transcriptomics$...$30$

II.4.6$Combining$transcriptomics$&$epigenomics$...$31$

II.5$Investigating$behavior$alteration$in$an$ecological$genomics$context:$a$preview$...$32$

II.5.1$MicroRNAome$...$33$

II.5.2$Phosphorylome$...$34$

II.5.3$Interactome$...$35$

II.6$What$about$parasites?$...$36$

II.7$Functional$analyses$...$36$

II.8$Adaptive$behavioral$manipulation$...$37$

II.9$Conclusion$...$39$

II.10$Boxes$...$39$

Box$II.1$–$Potential$impacts$of$parasites$on$host$behavioral$syndromes$...$39$

II.11$Acknowledgments$...$40$

II.12$Tables$...$41$

II.13$Figures$...$43$

Chapitre&III&:&Identification&of&candidate&mimicry&proteins&involved&in&parasite;driven&

phenotypic&changes&...&47&

III.1$Résumé$...$48$

III.2$Abstract$...$49$

III.3$Introduction$...$50$

III.4$Materials$and$methods$...$53$

III.5$Results$and$discussion$...$60$

III.6$Conclusion$...$66$

III.7$Ethical$approval$...$67$

III.8$Acknowledgements$...$67$

III.9$Tables$...$68$

III.10$Figures$...$72$

III.11$Additional$figures$...$80$

III.12$Supplementary$files$...$81$

Chapitre&IV&:&Transcriptome&sequences&spanning&key&developmental&states&as&a&

resource&for&the&study&of&the&cestode&Schistocephalus-solidus,&a&threespine&stickleback&

parasite&...&83&

IV.1$Résumé$...$84$

IV.2$Abstract$...$85$

IV.3$Introduction$...$86$

IV.4$Specimen$collection$and$laboratory$infections$...$88$

(7)

vii

IV.5$RNA$extraction$and$library$preparation$...$88$

IV.6$Ethical$statement$...$90$

IV.7$Transcriptome$assembly$...$90$

IV.8$Annotation$...$91$

IV.9$Comparison$with$geneCprediction$models$...$92$

IV.10$Novel$resource$for$phylogenomic$analyses$...$94$

IV.11$Conclusion$...$95$

IV.12$Availability$of$supporting$data$...$95$

IV.13$Acknowledgements$...$95$

IV.14$Tables$...$96$

IV.15$Figures$...$98$

IV.16$Additional$figures$...$101$

Chapitre&V&:&Major&host&transitions&are&modulated&through&transcriptome;wide&

reprograming&events&in&Schistocephalus-solidus,&a&threespine&stickleback&parasite&..&102&

V.1$Résumé$...$103$

V.2$Abstract$...$104$

V.3$Introduction$...$105$

V.4$Material$and$methods$...$107$

V.5$Results$and$discussion$...$111$

V.6$Acknowledgements$...$119$

V.7$Figures$...$120$

V.7$Additional$Tables$...$125$

V.8$Additional$figures$...$126$

Chapitre&VI&:&Conclusion&...&128&

VI.1$Synthèse$des$résultats$...$129$

VI.2$Intégration$des$niveaux$d’organisation$du$vivant$...$134$

VI.3$Limitations$et$perspectives$...$135$

V1.4$Mot$de$la$fin$et$considérations$épistémologiques$...$140$

Bibliographie&...&144&

(8)

viii

Liste&des&tableaux&

Table&II.1$Diversity$of$parasites,$hosts$and$behaviours$reported$to$change$following$

infection.$...$41$

Table&III.1&Species$used$as$control,$host$and$parasite$references$for$protein$

identification.$...$68$

Table&III.2&Transcriptome$assembly$metrics$...$70$

Table&III.3&Secreted$proteins$identified$as$mimicry$candidates$through$pipeline$B.$...$71$

Table&IV.1&Schistocephalus$solidus$specimens$from$three$different$developmental$stages$

used$to$generate$the$de$novo$reference$transcriptome$...$96$

Table&IV.2$De$novo$assembly$and$annotations$metrics$for$the$transcriptome$of$the$

cestode$Schistocephalus$solidus.$...$97$

(9)

ix

Liste&des&figures&

Figure II.1 Concept of ecological genomics ... 44 Figure II.2 Impact of parasite infections on behavioral correlations ... 45 Figure II.3 Pipeline analysis of an integrated approach combining different

complementary fields of research ... 46

Figure III.1 Mimicry protein identification performed in silico on the proteome of

Schistocephalus solidus ... 73

Figure III.2 Protein similarity comparisons using full-length blastp searches against

various parasitic and non-parasitic control worm species ... 75

Figure III.3 More than 200 tapeworm peptides were identified as significant

mimicry candidates through in silico pipeline B ... 77

Figure III.4 Expression of mimicry candidate genes in three different S. solidus

developmental stages confirmed by retrotranscription polymerase chain reaction (RT-PCR) ... 79

Figure III.S1 CD-HIT-EST parameters used in the de novo assembly process ... 80 Figure III.S2 Ungapped BLAST-p identity thresholds used in this study ... 81 Figure IV.1 De novo assembly method used in the construction of a reference

transcriptome for Schistocephalus solidus ... 99

Figure IV.2 Phylogenetic relationships between Schistocephalus solidus

(Schistocephalidae) and seven other parasitic worm species ... 100

Figure IV.S1 Sequence comparison between the genome and the de novo

transcriptome ... 101

Figure V.1 Developmental stages of S. solidus are characterised by different

genome-wide expression profiles ... 120

Figure V.2 Differential patterns of gene expression reveal a strong stage-specific

functional signature dominated by reproduction-associated activities in adult worms ... 121

Figure V.3 Partial glycolysis KEGG pathway highlighting the biochemical steps for

which differential expression was detected between infective plerocercoids and adult worms ... 122

Figure V.4 Differential patterns of gene expression suggest a significant role for

neuromodulatory pathways in the development of infectivity towards the final host ... 123

Figure V.5 Activation of serotonin-related genes in the transcriptional signature of

infectivity ... 124

Figure V.S1 Clustering analysis performed on multiple differential expression

(10)

x

Liste des abréviations et des sigles

5-HT 5-hydroxytryptamine A1-alpha receptor

AC Adenylate cyclase

Bp Baise pair (paire de bases)

CPM Counts Per Million

FC Fold Change

FDR False Discovery Rate

FhTLM Fasciola hepatica TGF-β Like Molecule

GADP Glyceraldehyde-3-phosphate

Gb Gigabases (1x109 acides nucléiques)

GO Gene Ontology

mg, g, kg Milligramme, gramme, kilogramme

mm Milimètre

ncRNA, mRNA, miRNA, cDNA Non-coding RNA, messenger RNA, micro-RNA, complement DNA

ORF Open Reading Frame

ROS Reactive Oxygen Species

SC6A4 Sodium-dependent serotonin transporter

SRA Sequence Reads Archive

(11)

xi

Remerciements

Je me suis toujours senti un peu comme un imposteur. Pourquoi ? Sûrement parce que j’ai toujours su que dernière tout ce que j’accomplis, il se cache un bon nombre de personnes qui m’ont aidé à réaliser peu importe ce que j’ai décidé d’entreprendre. Ce travail est donc l’aboutissement d’innombrables réflexions générées et alimentées par les gens qui m’entourent, ma famille, mes amis, collègues et mentors. J’adresse, à cet égard, mes plus sincères remerciements à tous ces êtres humains qui m’ont aidé et supporté.

Je tiens d’abord à remercier ma directrice de thèse, Nadia Aubin-Horth. Nadia, c’est grâce à ton ouverture d’esprit, ta générosité et ton dévouement que j’ai pu apprendre à faire de la science utile à la communauté, juste, transparente et rigoureuse. J’ai toujours énormément apprécié tes précieux enseignements sur la théorie et la philosophie du métier de scientifique. Comment structurer les idées pour les présenter à différents types d’audiences ? Comment écrire quoi pour que le message soit intelligible ? Qu’est-ce qui est important et qu’est-ce qu’on doit laisser de côté ? J’estime que trop peu de scientifiques se posent ce genre de question et pourtant, la structure du message et la manière dont il est véhiculé est un aspect fondamental du rôle des scientifiques… et des parasites aussi ! Tu as été l’un des meilleurs modèles que j’aurai pu avoir, merci tellement pour ton support, tes encouragements, nos discussions et débats sur pas juste la science, mais la société en général aussi. Sur les arts. Sur la musique. Sur les films. Sur la littérature. Pour moi, c’était une formation intégrée et une expérience de vie unique qui me définit à jamais. Qui fait partie de moi maintenant. Un dernier point qui mérite une mention : ta passion. Tu m’as démontré qu’on pouvait grandir et malgré tout demeurer un enfant devant nos passions. C’est une belle leçon de vie. Merci.

Je tiens ensuite à remercier très chaleureusement mon co-directeur, Christian Landry. Christian, t’étais pas obligé d’accepter la co-direction de mon projet, mais tu l’as fait et je t’en suis éternellement reconnaissant. Je m’estime chanceux d’avoir pu bénéficier de tes réflexions, tes conseils et tes idées toujours à point et d’une justesse désarmante. Mon expérience en tant que scientifique n’aurait jamais été aussi étoffée si je n’avais pas connu ton laboratoire. J’ai étendu mes horizons scientifiques, j’ai compris des concepts auxquels je n’aurais peut-être même pas été

(12)

xii

exposé autrement et j’ai pu être exposé à la structure de ta pensée. Ça c’est formateur ! À force de te côtoyer, j’ai pu observer ton mode de pensée et apprendre, en discutant avec toi, à développer mes propres outils pour comprendre le monde. Il s’agit pour moi d’un lègue formidable que tu me laisses et je t’en remercie. Un dernier point : merci pour ton humour. J’ai toujours grandement apprécié ton sens de l’humour. Se prendre trop au sérieux tout le temps, ça devient lourd !

Une toute petite mention conjointe à Nadia et Christian (néanmoins importante). Vous croyez sincèrement en vos étudiants et vous prenez toujours le temps de les écouter et de considérer leurs opinions et leurs idées. À mon humble avis, c’est une qualité remarquable, je vous lève mon chapeau. Votre attitude favorise l’auto-détermination et le développement d’un sens critique, des conditions sine qua none à la réussite en société et pas simplement en science.

Je voudrais également remercier les membres de mon comité d’encadrement : Michel Frenette et Julie Turgeon. Merci Julie pour la justesse de ta pensée et ton esprit critique aiguisé. J’ai eu des discussions extrêmement formatrices au cours de nos échanges pendant ces quelques années. Vos conseils et commentaires m’ont sans contredit permis d’améliorer la qualité du travail que j’ai réalisé dans les dernières années ! Merci également aux membres du jury, Nadia et Christian bien sûr, ainsi que Michel Frenette, Julie Turgeon et Melissa Pespeni qui devront lire et commenter les nombreuses pages de ce travail. Votre travail et votre aide sont plus qu’appréciés.

Merci aussi à tous mes collaborateurs et co-auteurs qui ont rendu possible la publication des travaux qui seront présentés dans les prochaines pages. Sans vos efforts et votre collaboration, rien de ce travail n’aurait été possible. Merci d’abord à Iain Barber qui m’a permis d’aller séjourner en Angleterre dans son laboratoire. TOUS mes échantillons nécessaires à ma thèse devaient être récoltés en l’espace d’un séjour de trois mois à la University of Leicester. Beaucoup de stress, de plaisir, de découvertes et de nouvelles amitiés. Merci à Stephan Grambauer et Ceinwen Tilley, qui ont fait plusieurs semaines de laboratoire pour préparer mon arrivée en Angleterre et ce, avant même de me connaitre et de savoir de quoi traite mon sujet de thèse. Je vous en dois toute une les amis !

(13)

xiii

Merci aux membre du laboratoire Aubin-Horth : Sergio Cortez-Ghio, Chloé Berger et Lucie Grecias. Merci à Lucie Grecias, collègue, mais avant tout amie avec qui j’ai partagé la presque totalité de cette incroyable aventure. Lucie, t’es en fin de compte la petite sœur que je n’ai jamais eue avec qui j’ai partagé les joies et tristesses du passage au doctorat, tant sur le plan académique que social et personnel. Merci so much ! On est une petite famille scientifique, mais soudée et unie ! Merci pour vos commentaires sur mon travail et votre support. J’ai toujours eu énormément de plaisir avec vous tous. Merci également aux membres du laboratoire Landry qui m’ont toujours accepté malgré mon orientation de recherche divergente des levures. Ah vous savez ces gens de levure ! Merci à Marie Filteau, Guillaume Diss, Luca Freshi, Guillaume Charron, Chris Eberlein, Isabelle Gagnon-Arsenault, Alexandre Dubé, Clara Bleuven, Lou Nielly-Thibault, André-Ève Chrétien, Véronique Hamel et Caroline Lamothe pour leur écoute et judicieux conseils.

Je tiens aussi à remercier ma petite famille : papa, maman et mon n’mi Jeanphile. Man, tu m’as appris à marcher, courir, sauter, grimper… comment faire des choses interdites aussi ! Mais aussi tu m’as montré comment voir le monde autrement, avec des lunettes artistiques et ludiques, deux manières fondamentales d’appréhender et comprendre le monde qui nous entoure. Je t’en remercie. Mes parents m’ont tout donné et m’ont toujours fait confiance et ils m’ont toujours laissé m’exprimé pleinement. C’est en partie grâce à vous que je suis là où j’en suis.

En dernier lieu, merci à Judy. T’as toujours été là pour moi, dans n’importe quelle situation. Avec ou sans distance qui nous sépare, t’étais présente. Au fil des années en ta présence, j’ai appris à devenir une meilleure personne. Tu m’as permis de développer des aspects de ma personnalité qui m’offrent désormais un regard transformé sur le monde qui m’entoure. On forme une équipe du tonnerre que personne ni rien ne peut détruire. Ce doctorat permet de consolider nos projets futurs ensemble et de notre association émergeront à coup sûr des propriétés émergentes jusqu’alors insoupçonnées ! Je t’aime si fort Judy.

(14)

xiv

Avant-propos

Cette thèse est organisée en six chapitres. Le premier chapitre consiste en une introduction générale, alors que le second chapitre, également introductoire, présente l’état des connaissances d’une manière plus spécifique sur le sujet abordé par la thèse et expose les différentes orientations de recherche disponibles pour répondre à la question fondamentale des interactions hôte-parasite. Ce chapitre de ma thèse (Chapitre II) a été publié à titre de chapitre de livre révisé par les pairs et publié indépendamment comme un article de revue de littérature. Les chapitres III, IV et V ont été publiés dans des revues scientifiques. Finalement, le chapitre VI est un chapitre de conclusions générales et réflexions personnelles. Voici l’état de ces publications :

Le chapitre II est publié sous la référence : Hébert F.O. & Aubin-Horth N. (2014). Ecological genomics of host behavior manipulation by parasites. Advances in Experimental Medicine and Biology, 781(Chapter 9), 169–190.

FOH et NAH ont recherché la littérature pour établir les orientations et points abordés dans le texte. FOH a écrit le manuscrit en collaboration avec NAH.

Le chapitre III est publié sous la référence : Hébert F.O., Phelps L., Samonte I., Panchal M., Grambauer S., Barber I., Kalbe M., Landry CR, Aubin-Horth N (2015). Identification of candidate mimicry proteins involved in parasite-driven phenotypic changes. Parasites & Vectors, 8(1), 225.

FOH a développé l’idée du projet. MK, CRL et NAH ont supervisé le projet. LP, IS, IB et SG ont collecté les échantillons. LP, IS et FOH ont fait le travail de laboratoire. FOH a produit les données et réalisé les analyses. FOH a écrit le manuscrit en collaboration avec MK, LP, IS, MP, SG, IB, NAH et CRL.

Le chapitre IV est publié sous la référence : Hébert F. O., Grambauer S., Barber I., Landry C. R., & Aubin-Horth N. (2016). Transcriptome sequences spanning key developmental states as a resource for the study of the cestode Schistocephalus solidus, a threespine stickleback parasite. GigaScience, 5(1), 24.

(15)

xv

FOH et SG ont réalisé le travail d’échantillonnage en laboratoire. FOH et NAH ont conçu le projet. CRL et NAH ont supervisé le projet. FOH a réalisé le travail de laboratoire, produit et analysé les données. FOH a écrit le manuscrit en collaboration avec IB, CRL et NAH.

Le chapitre V est publié sous la référence : Hebert F.O., Grambauer S., Barber I., Landry C.R., Aubin-Horth N. (2016). Major host transitions are modulated through transcriptome-wide reprogramming events in Schistocephalus solidus, a threespine stickleback parasite. Molecular Ecology, 26:1118-1130.

FOH et SG ont réalisé le travail d’échantillonnage en laboratoire. FOH et NAH ont conçu le projet. CRL et NAH ont supervisé le projet. FOH a réalisé le travail de laboratoire, produit et analysé les données. FOH a écrit le manuscrit en collaboration avec IB, CRL et NAH.

J’ai également contribué à un autre article publié par ma collègue de laboratoire Lucie Grecias. L’article est publié en ligne, en accès hâtif, sous la référence : Grécias L., Hebert F.O., Berger C.S., Barber I., Aubin-Horth N. (2016). Can the behaviour of threespine stickleback parasitized with Schistocephalus solidus be replicated by

manipulating host physiology? Journal of Experimental Biology:

(16)

1

Chapitre I : Introduction générale

(17)

2

I.1 Comment expliquer le système de la Nature de manière unifiée ?

Rien n’existe en soi et pour soi, de manière absolue et unique. Le monde naturel, au même titre que les faits sociaux, résulte de l’agencement d’une pluralité d’éléments influencés par des dynamiques opposées et complémentaires dont découlent des mouvements menant à de perpétuelles transformations. Tout élément qui compose le système se détermine et est influencé par le reste des éléments, soit de l’intérieur (qui le compose directement) ou de l’extérieur (qui l’environne). Il n’existe aucune autorité qui assure l’ordre stable et permanent du tout et des composantes du système : les êtres et les choses se transforment continuellement et ils influencent le réel même après leur mort ou leur dégradation. Bien qu’il ne s’agisse ici que d’une conception très personnelle de l’univers qui nous entoure, ces considérations philosophiques sur la dynamique du monde physique et des constructions sociales ont de tout temps préoccupé les humains. Dans la pensée humaine, avant le XVIIIe siècle, on décrivait la Nature, à la fois humaine (conception

morale de l’existence) et « biologique » en ayant recours à des concepts idéologiques hérités de la scolastique et des principes métaphysiques développés au moyen âge et basés sur les écrits d’Aristote (343 av J.C.) et sur les textes théologiques chrétiens (Gilson 1947).

Ce mouvement philosophique prévalut pendant des siècles, mais il fut remis en question par l’avènement d’un changement de paradigme intellectuel qui préconisait une approche inductive-déductive plutôt qu’une approche basée sur les textes religieux. L’éveil de la pensée prit véritablement son essor à la fin du XVIIIe siècle et

il émanait d’un désir profond d’englober toutes les connaissances humaines en un seul système unifié, en l’occurrence le système de la Nature. Cette nouvelle conception du monde permettait d’envisager la Nature et ses « composantes » (les étoiles, le système solaire, la terre, les animaux et les plantes) comme une série d’évènements, de faits, qu’il est possible d’étudier de la même manière dont on approche les sciences naturelles. Dans ce contexte, plusieurs intellectuels de l’époque exploitèrent la même méthode inductive pour décrire et expliquer les composantes du monde de la Nature. Ces penseurs pouvaient passer du monde céleste des étoiles au monde des réactions chimiques et physiques fondamentales, ou de réactions physico-chimiques microscopiques aux monde macroscopique des animaux et des plantes, voire même du développement économique et politique à l’éclosion et l’évolution des religions dans les sociétés humaines (Kropotkin 1913).

(18)

3

Au cours de ces années empreintes de progrès, Laplace publia notamment son ouvrage intitulé « Exposition du système du monde » (de Laplace 1795) pour expliquer la mécanique des mouvements célestes au sein du système solaire. Sans fournir aucun calcul mathématique, Laplace sut, par son approche rigoureuse, décrire des phénomènes astronomiques complexes qui ne furent démontrés que beaucoup plus tard par des mathématiciens qui exprimèrent chaque élément conceptuel sous forme d’équations. Le Baron d’Holbach (de son vrai nom Paul Henri Thiry), publia son célèbre et controversé ouvrage philosophique intitulé « Système de la Nature » (Holbach & de Mirabeau 1770) qui défend la thèse voulant que l’humain soit « l’ouvrage de la nature » et soumis à ses lois et non celles d’entités divines qu’il rejette d’ailleurs avec véhémence tout au long du texte. Lavoisier formula en 1789 la loi de la conservation de la masse, postulant que la masse totale d’une réaction chimique demeure constante. En d’autres mots, la matière est indestructible et, par extension, l’énergie et le mouvement des éléments chimiques fondamentaux le sont également. En Russie, Mikhaïl Vassilievitch Lomonossoff en était déjà à l’élaboration des bases de la théorie mécanique de la chaleur alors qu’il occupait un poste à l’Académie des sciences de Saint-Pétersbourg. L’une des plus grandes révolutions conceptuelles prit également son envol dans les travaux du naturaliste Jean-Baptiste De Monet Chevalier de Lamarck. Ce dernier proposa une théorie matérialiste et mécaniste du vivant permettant d’expliquer comment, par interaction avec l’environnement, les espèces se transforment au fil du temps (de Monet de Lamarck 1816). Sa théorie expliquait comment les organismes se complexifient sous l’effet de leur dynamique métabolique (composantes internes du système) et comment ils se diversifient en espèces distinctes par adaptation de leurs organes aux conditions de l’environnement (composantes externes du système, qui l’environnent).

I.2 La vie sur terre se diversifie et se complexifie selon des lois évolutives naturelles, mesurables et empiriques

Si les idées de Lamarck et de ses contemporains permirent de s’affranchir de la dialectique nébuleuse et vide de sens du XVIIe siècle, le concept d’acquisition et

d’amélioration des caractères du vivant sous le poids des forces environnementales n’était pas tout à fait juste. Il fallut attendre les travaux concomitants de Darwin et Wallace qui, dans la deuxième moitié du XIXe siècle, établirent les bases de la

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fameuse théorie de l’évolution par sélection naturelle (Darwin 1859; Wallace 1875). S’inscrivant dans la mouvance mécaniste léguée par les penseurs du siècle précédent, cette théorie permettait d’expliquer comment, par petits changements aléatoires et graduels, de génération en génération, la vie sur Terre se diversifie et crée de nouvelles espèces en réponse aux conditions environnementales.

Quelques années après la publication des travaux sur l’évolution par sélection naturelle, les bases moléculaires expliquant comment cette diversité naturelle sur Terre s’exprime à l’intérieur de chaque organisme furent énoncées pour la première fois. En effet, Mendel découvrit les gènes, qu’il appelait à l’époque « facteurs invisibles », et les bases de l’hérédité à travers son expérience classique menée sur des petits pois qu’il cultivait dans les jardins de l’Abbaye de Saint-Thomas (Mendel 1866). Il s’agissait dès lors du premier lien génotype-phénotype, c’est à dire du lien biologique existant entre les caractères visibles chez les organismes vivants et leur détermination moléculaire. C’est plusieurs années après la mort de Mendel que Thomas Hunt Morgan proposa formellement l’existence de gènes, ces unités biologiques microscopiques responsables de l’expression des caractères phénotypiques et retrouvées sur les « chromosomes » (Morgan 1911). Selon les travaux de Sturtevant, un étudiant sous la supervision de Morgan, ces gènes sont disposés de manière linéaire à des endroits très spécifiques, nommés « loci », le long des chromosomes (Sturtevant 1913). Une fois de plus, l’approche hypothético-déductive permit d’expliquer de manière simple et élégante la mécanique biologique connectant le monde du visible (phénotype) au monde de l’invisible (génotype).

I.3 Peut-on échapper aux lois fondamentales de l’évolution ? Le cas des parasites et de leur (mauvaise) réputation

Les premières générations de scientifiques évolutionnistes du XIXe siècle

retinrent comme idée de base que l’évolution procède de manière progressive pour tendre vers l’amélioration et la perfection. Le paléontologiste américain Edward Drinker Cope postula d’ailleurs qu’au sein des lignées évolutives, la taille corporelle tend à augmenter au fil du temps (Cope 1887; 1896). Ce concept, plus tard formulé comme « la loi de Cope », eut comme conséquence de propager l’idée voulant que la vie évolue de formes simples vers des formes de plus en plus complexes (une idée qui fut réfutée plusieurs décennies plus tard, voir Stanley 1973). L’évolution semblait ainsi comporter une faille : comment, dans ce contexte, pouvait-on alors expliquer

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l’évolution des parasites ? Quelle place ces êtres « simplifiés » pouvaient-ils occuper dans la mécanique générale de la Nature ? Même Charles Darwin, père fondateur de la théorie de l’évolution par sélection naturelle, n’arrivait pas à réconcilier le concept de parasite à sa théorie. Il trouvait cela « désobligeant que le Créateur d’innombrables systèmes de mondes ait put créer chacune de ces myriades

de parasites rampants » (Darwin 1859). Par conséquent, tout au long du XIXe siècle

et pendant au moins la première moitié du XXe siècle, les parasites furent perçus

comme « biologiquement dégénérés », marginaux d’un point de vue écologique et anormaux d’un point de vue évolutif (Lankester 1880; Stunkard 1955).

I.4 Isolement de la parasitologie des autres sciences biologiques

Cette idée que les parasites soient en quelques sortes une insulte au « progrès évolutif » contribua à isoler le monde de la parasitologie des autres domaines de recherche biologique, et spécialement du monde de la biologie évolutive (Poulin 2011). En raison de l’attitude négative de la communauté scientifique (et de la population en général !) à l’endroit des parasites, la plupart des connaissances accumulées sur ces organismes au cours du XIXe et de la première moitié du XXe

siècle concerne surtout leur impact immédiat sur la santé des humains et des animaux qu’ils exploitent. Il était effectivement capital pour les gouvernements européens impérialistes de guérir leurs colonies des infections parasitaires qui les affligeaient et d’assurer la santé des troupes à travers deux guerres mondiales (Vickerman 2009). Le statut accordé aux parasites permit tout de même l’élaboration de la théorie pathogénique, un concept fondamental de la médecine moderne qui explique l’origine des maladies causées par infections de micro-organismes (Vickerman 1994). C’est dans ce contexte médical que des chercheurs mirent notamment en évidence le rôle des protozoaires de type trypanosome (parasites unicellulaires microscopiques) dans le développement du paludisme, autrement connu sous le nom de malaria, soit l’une des maladies infectieuses mortelles les plus répandues chez l’humain (ce qui lui valut le prix Nobel de médecine et physiologie en 1907). Charles Nicolle, quant à lui, découvrit Toxoplasma gondii, un parasite protozoaire responsable de la toxoplasmose, une infection qui touche environ le tiers de la population mondiale (Nicolle & Manceaux 1909; Montoya & Liesenfeld 2004).

Malgré l’isolement presque complet qui s’exerça entre la parasitologie et les autres disciplines biologiques, certaines découvertes réalisées sur les parasites

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eurent une grande portée dans le monde des sciences. Par exemple, c’est en étudiant les larves parasites du diptère Gastrophilus intestinalis (retrouvées dans les muqueuses intestinales de cheval) que David Keilin découvrit l’existence de composés intracellulaires capables de s’oxyder de manière réversible et qu’il nomma cytochrome (Keilin 1925). Cette découverte ouvrit la porte à toutes les études portant sur la chaine de transport des électrons chez les organismes pratiquant la respiration aérobie (Slater 2003). L'étude des parasites constituaient une discipline bien établie et fort productive de connaissances fondamentales, mais elle demeurait toutefois quasi-hermétique au transfert de ce savoir vers les autres domaines de recherche en biologie, comme l'écologie par exemple (Vickerman 2009; Jackson 2015).

I.5 L’arrivée de la phylogénie moléculaire redore le blason des parasites

Il fallut attendre la découverte de la molécule d’ADN par Watson et Crick (Watson & Crick 1953) pour que la communauté scientifique commence progressivement à donner aux parasites toute la légitimité et la pertinence qu’ils méritent sur le plan évolutif. Cette percée scientifique permit notamment de comprendre comment est encodée l’information biologique fondamentale qui donne naissance aux caractéristiques physiques d’un organisme (phénotypes) et la manière dont le transfert de cette information s’exerce entre le génotype et le phénotype sur le plan moléculaire. Plus de deux décennies s’écoulèrent avant que la technique de séquençage d’ADN ne soit formellement présentée par Sanger (Sanger et al. 1977), donnant ainsi accès à la séquence primaire des molécules d’ADN de n’importe quelle espèce.

L’accès progressif au séquençage d’ADN permit ensuite l’avènement de la phylogénie moléculaire, un champ de recherche qui vise à comparer la séquence primaire de l’ADN entre différentes espèces afin d’en tirer de l’information concernant leurs traits d’histoire de vie, leur parcours évolutif et leurs liens de parenté (Yang & Rannala 2012). L’arrivée de cette nouvelle méthode rendit possible l’étude de l’origine et de la diversification des parasites de manière explicite et avec une résolution jusqu’alors inégalée (Jackson 2015). La parasitologie avait longtemps été dépendante des techniques de microscopie et, corolairement, des techniques de coloration histochimique, pour identifier et classifier les espèces de parasites à partir de leur morphologie (Vickerman 2009). Or, décrire la biodiversité parmi les parasites

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à partir de critères strictement morphologiques représente un défi de taille, car il s’agit d’organismes microscopiques souvent logés à l’intérieur d’autres organismes et qui possèdent plusieurs stades de vie divergents d’un point de vue phénotypique. Les techniques de séquençage d'ADN permirent donc aux parasitologistes de s'affranchir des critères strictement morphologiques pour s'appuyer également sur des séquences d’ADN afin d'identifier de nouvelles espèces et de comprendre leur lien biologique avec le reste de la vie. L’étude des génomes de parasites donna finalement accès à un vaste répertoire de caractères phénotypiques moléculaires à partir desquels il était désormais possible de comparer non seulement les espèces de parasites entre elles, mais également de les remettre en contexte par rapport aux formes de vie libre (Poulin & Randhawa 2015). Les séquences d’ADN codant pour toutes les molécules potentiellement produites par un parasite au cours de sa vie pouvaient dès lors être identifiées, analysées et comparées (qualitativement et quantitativement) à celles de n’importe quelle autre espèce animale ou végétale.

I.6 Comprendre ce qui fait d’un parasite un parasite : contexte théorique de la thèse et objectif principal

Ce que la phylogénie moléculaire permit de découvrir, c’est que les parasites, non loin d’être les rebus de l’histoire de la vie sur Terre, représentent plutôt les « diamants de l’évolution » (Zimmer 2001). Façonnés et polis par des milliers d’années d’interactions incessantes avec leurs hôtes, ils constituent un groupe d’organismes extrêmement diversifiés, prospèrent, hautement spécialisés et dotés d’une grande efficacité dans leurs activités biologiques (Blaxter 2003; Cribb et al. 2003; Rich & Ayala 2003). Grâce aux techniques de phylogénie moléculaire, on découvrit que l’interaction étroite entre ces deux composantes des systèmes biologiques (hôtes et parasites) est structurée par la dynamique de forces écologiques antagonistes desquelles découle un échange incessant entre les parasites et leurs hôtes, ce qui contribue à leur transformation réciproque millénaire (Thompson 1982). En d’autres mots, les parasites se définissent en grande partie par la co-évolution étroite à laquelle ils participent avec leurs hôtes et leur rôle dans les systèmes biologiques n’a de sens qu’à la lumière de leurs relations avec les espèces qu’ils infectent.

On sait désormais qu’il existe plusieurs centaines de milliers d’espèces de parasites sur Terre qui sont distribuées dans tous les groupes taxonomiques du

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vivant (Dobson et al. 2008). Certains embranchements, comme celui des vers ronds (Nematoda) ou des vers plats (Cestoda) par exemple, contiennent à la fois des espèces non parasites et parasites qui sont très proches l’une de l’autre d’un point de vue phylogénétique, mais complètement différentes d’un point de vue écologique (Hunt et al. 2016b; Wang et al. 2016). Dans un cas, l’espèce est une forme de vie libre qui entretient plusieurs interactions biotiques et abiotiques avec un ensemble d’espèces qui composent son environnement, alors que dans l’autre cas, l’espèce parasite est directement dépendante d’une espèce hôte et donc, des interactions écologiques étroites qu’elle entretient avec cet hôte. Pourtant les deux types de vers sont morphologiquement semblables, voire identiques, et ils appartiennent au même genre taxonomique, mais leur stratégie écologique est fondamentalement différente. Comment expliquer alors cette différence ? En d’autres mots, quels sont les déterminants biologiques qui font d’un parasite un parasite ? La réponse à cette question se trouve en grande partie dans la nature des interactions qu’un parasite entretient avec son milieu, en l’occurrence les espèces hôtes desquelles il dépend.

Ce que l’histoire de la science démontre, depuis l’éveil intellectuel du XIXe siècle,

c’est que pour comprendre le système complexe de la Nature, il faut considérer chacune de ses composantes qui se situent à différents niveaux d’organisation de la matière. Ces niveaux complémentaires de résolution biologique sont soumis aux mêmes lois naturelles fondamentales et ne se définissent que par leurs interactions avec le reste du système. À la lumière du développement récent des disciplines moléculaires comme la génomique par exemple (étude des composantes et fonctions des génomes), l’étude intégrée des questions écologiques complexes comme celle des interactions hôte-parasite devient de plus en plus accessible. C’est dans ce contexte intégratif qu’un nouveau champ de recherche est né, en l’occurrence l’écologie génomique. Comme nous le verrons au prochain chapitre, il s’agit plus spécifiquement d’une combinaison de disciplines (écologie, évolution, génomique fonctionnelle) qui se focalise sur les gènes et les processus moléculaires associés qui affectent le succès écologique et l’aptitude évolutive des organismes au sein de leur environnement (Feder & Mitchell-Olds 2003; Landry & Aubin-Horth 2014). Les mécanismes sous-jacents aux caractères phénotypiques prennent forme à des niveaux d’organisation biologique situés à l’échelle microscopique (exemple : ADN, ARN, protéines), alors que l’importance écologique des phénotypes se manifeste à l’échelle macroscopique (exemple : morphologie, comportement, interactions intra et

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inter-spécifiques). Par conséquent, pour comprendre un caractère phénotypique donné, il est crucial d’exploiter à la fois des approches moléculaires, cellulaires, organismiques (physiologiques), populationnelles et écologiques (Feder & Mitchell-Olds 2003).

Dans le cadre de l’approche d’écologie génomique, il est possible d’avancer l’idée que l’activité biologique d’un parasite à l’intérieur de son hôte génère un ensemble complexe de signaux moléculaires qui interagissent avec une combinaison de voies physiologiques hôtes. La perturbation ou la modification de ces voies physiologiques affecte l’expression de phénotypes hôtes et contribuent au succès écologique du parasite. Ce postulat constitue le cadre théorique de ma thèse. L’objectif principal de cette thèse a été de développer et peaufiner des ressources génomiques de base pour permettre l’étude intégrée des interactions hôte-parasite selon les principes d’écologie génomique. Les travaux réalisés en parasitologie depuis plusieurs décennies ont généré de nombreuses connaissances sur la morphologie des parasites, sur la structure de leurs cycles de vie, sur leurs modes d’infection et sur les conditions physiologies hôtes dans lesquelles ils se développent (Vickerman 2009). Par contre, les niveaux moléculaires d’organisation biologique dans les systèmes parasitiques n’ont été que très peu décrits jusqu’à présent et la construction d’outils de référence en génomique permettra de faire le pont entre les niveaux macroscopiques si bien étudiés et les niveaux moléculaires moins bien décrits. C’est par la compréhension de chacun de ces niveaux d’organisation et par leur intégration les uns par rapport aux autres qu’il sera ultimement possible de comprendre comment les parasites se développent dans leur environnement et comment et pourquoi ils constituent un groupe d’organismes aussi efficaces et répandus en nature (Dobson et al. 2008).

I.7 Système d’étude modèle appliqué à l’écologie génomique : le cas de

Schistocephalus solidus et de l’épinoche à trois épines

Pour rencontrer l’objectif général exposé à la section précédente, il est capital de choisir un système d’étude répondant à certains critères essentiels. Un tel système devrait d’abord comprendre des espèces pour lesquelles il existe un minimum de ressources génomiques de base, comme par exemple un génome (brut ou annoté) et/ou un transcriptome de référence (régions codantes du génome), qui correspond essentiellement à l’ensemble des molécules d’ARNm qu’un organisme peut produire

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au cours de sa vie. Les espèces doivent également avoir des cycles de vie et des traits d’histoire de vie bien documentés dans la littérature afin de pouvoir remettre dans leur contexte écologique spécifique les changements moléculaires mesurés au cours de l’infection. Il est effectivement difficile de comprendre comment et quand un parasite interagit avec son hôte si le cycle de vie du parasite et les comportements typiques de l’hôte sont très peu documentés dans la littérature. Finalement, il est primordial que les deux espèces soient faciles à élever en milieu contrôlé afin de pouvoir mener des expériences en laboratoire permettant d’étudier chacune des étapes de l’interaction hôte-parasite.

I.7.1 Description du cycle de vie de S. solidus

Dans cette optique, le système d’étude sur lequel a été appliquée l’approche de recherche décrite précédemment est l’un des plus vieux systèmes d’interaction hôte-parasite jamais décrit par la communauté scientifique. Il s’agit de l’infection de l’épinoche à trois épines par le cestode Schistocephalus solidus, un ver plat transmis de manière trophique à l’intérieur d’un cycle de vie complexe qui comprend deux hôtes intermédiaires (copépode et épinoche à trois épines) et un hôte final aviaire (Abildgaard 1790; Hammerschmidt & Kurtz 2009). Le stade adulte final de S. solidus se loge dans l’intestin de n’importe quel vertébré homéotherme, bien qu’il infecte la plupart du temps des espèces d’oiseaux piscivores (Barber & Scharsack 2010). La reproduction de ce cestode hermaphrodite s’effectue de manière sexuée dans l’estomac d’oiseau et les œufs produits par autofécondation (infection simple) ou par fécondation croisée (infections multiples) sont relâchés dans l’eau à travers les fèces de l’oiseau.

La larve pourvue de microtriches (stade coracidium) émerge ensuite de l’œuf et progresse vers le haut du réseau trophique via l’infection de n’importe quelle espèce de copépode de type cyclopoïde, dont la plus fréquente est Macrocyclops albidus. Une fois ingérée, l’oncosphère se libère de son enveloppe protectrice (coracidium) au cours du passage à travers l’œsophage et l’estomac du copépode. Grâce à ses glandes de pénétration, l’oncosphère pénètre l’épithélium et migre vers l’hémocoele du copépode. L’oncosphère se développe ainsi dans la cavité corporelle de ce premier hôte intermédiaire afin d’atteindre le stade de procercoïde (Hammerschmidt & Kurtz 2009). Après plusieurs jours de développement et de croissance à l’intérieur du copépode, le procercoïde devient infectieux pour le deuxième hôte intermédiaire (obligatoire et spécifique), en l’occurrence l’épinoche à trois épines (Bråten 1966).

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Environ au cinquième jour d’infection, l’activité du copépode se trouve significativement réduite, alors que le temps de récupération après une attaque de prédateur augmente de manière significative (Hammerschmidt 2006). Ces changements comportementaux mesurés précisément au moment où la larve procercoïde atteint son stade de maturité physiologique dans le copépode contribue à augmenter le risque de prédation du premier hôte intermédiaire par le deuxième hôte intermédiaire (épinoche à trois épines) (Wedekind & Milinski 1996; Wedekind 1997).

Une fois arrivée dans le système digestif de l’épinoche, la larve procercoïde traverse l’environnement acide du lumen stomacal de son hôte pour atteindre le lumen intestinal. Les microtriches du stade procercoïde (servant à l’absorption des nutriments et au mouvement) s’attachent à la paroi intestinale pour y lyser la lamina propria afin d’ouvrir une voie entre les cellules épithéliales vers la cavité abdominale de l’hôte, où il se rend grâce aux contractions corporelles du poisson (Hammerschmidt & Kurtz 2007). La larve procercoïde se transforme ensuite dans la cavité corporelle de l’épinoche en larve plérocercoïde. La larve plérocercoïde nouvellement formée ne pèse que quelques milligrammes et elle correspond au stade dit « pré-infectieux », c’est-à-dire qui ne possède pas encore la maturité physiologique requise pour infecter l’hôte final. Le parasite enclenche alors un programme de croissance exponentielle jusqu’à l’atteinte du stade infectieux. En 6 semaines, la larve plérocercoïde augmente jusqu’à 400 fois sa masse initiale, soit jusqu’à ce qu’elle atteigne le seuil de maturité lui permettant de produire des œufs fertiles dans l’hôte final (Tierney & Crompton 1992). Précisément à ce moment, entre le 40e et le 50e jour d’infection de l’épinoche, le parasite enclenche une fois de

plus une modification comportementale chez son hôte intermédiaire, augmentant ainsi le risque qu’il soit dévoré par un prédateur aviaire, l’hôte final, dans lequel le parasite complètera son cycle vital en se reproduisant (Clarke 1954a; Barber et al. 2004; Quinn et al. 2012).

Le système d’infection de l’épinoche par S. solidus s’avère optimal pour l’étude des interactions hôte-parasite puisqu’il répond aux critères de base énoncés précédemment. En effet, au début de cette thèse, quelques ressources génomiques de base étaient accessibles pour les deux espèces visées par les travaux, notamment le génome et transcriptome de l’épinoche et le génome brut et non annoté du parasite. Les deux espèces sont également considérées comme des espèces modèles

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autant en écologie (Wootton & Wootton 1976; Wootton 1984; Barber & Scharsack 2010; Ostlund-Nilsson et al. 2010) qu’en biologie évolutive (Bell & Foster 1994; McKinnon & Rundle 2002; Hammerschmidt & Kurtz 2009; Jones et al. 2012a; b). Les deux hôtes intermédiaires et tous les stades de développement du parasite peuvent de surcroit être facilement conservés et manipulés en laboratoire (Smyth 1946; Wedekind 1997; Jakobsen et al. 2012).

I.7.2 Conséquences phénotypiques de l’infection subies par l’épinoche à trois épines Les conséquences de l’interaction entre l’épinoche et S. solidus ont fait l’objet de nombreux efforts de recherche au niveau phénotypique, mais très peu d’études décrivant les mécanismes sous-jacents qui prennent forme au niveau moléculaire n’ont été publiées jusqu’à présent. Des travaux en biologie du comportement réalisés sur l’épinoche rapportent notamment une réduction de la condition physique des individus infectés (Arme & Owen 1967; Tierney et al. 1996), une diminution du développement sexuel (McPhail & Peacock 1983; Folstad et al. 1994; Heins et al. 1999), plusieurs changements morphologiques (Reimchen 1997; Reimchen & Nosil 2001), des changements dans le comportement de nage en groupe (Barber & Huntingford 1995; Barber et al. 1995; 1998), dans le comportement anti-prédateur (Giles 1983; Milinski 1985; Godin & Sproul 1988; Ness & Foster 1999), dans le comportement de choix des proies (Milinski 1984; Ranta 1995) et dans la capacité de compétition (Barber & Ruxton 1998). Bien que la question des mécanismes moléculaires responsables de ces changements demeure encore en suspens, une étude suggère que la modification comportementale subie par les épinoches infectées puisse être associée à une augmentation de la concentration de neurotransmetteurs monoaminergiques dans le cerveau (Overli et al. 2001). Toutefois, rien n’indique si cette augmentation de neurotransmetteurs provient d’une manipulation active du système neuroendocrinien de l’hôte par le parasite, d’un état de stress chronique qui serait une conséquence secondaire de la réponse immunitaire générée par l’infection, ou de la privation alimentaire caractéristique des individus infectés (Overli et al. 2001).

Des études chez les invertébrés suggèrent que des sécrétions provenant de parasites ont la capacité d’activer certaines composantes du système immunitaire hôte, ce qui permet la manipulation du système nerveux (Adamo 2002;2013). Sachant qu’au cours d’infections parasitaires aigues chez certains vertébrés, la réponse immunitaire peut produire des modifications comportementales significatives

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(Vollmer-Conna 2001), il se peut que chez l’épinoche infectée par S. solidus, l’augmentation de la réaction cellulaire oxydative au moment précis de passer à l’hôte final puisse enclencher des modifications neuronales et comportementales bénéfiques pour la transmission du parasite (Scharsack et al. 2007). L’explication mécaniste permettant de comprendre comment se traduit le signal immunitaire en signal nerveux demeure toutefois inconnu et peu étudié (Barber & Scharsack 2010). I.7.3 Que sait-on sur la biologie du parasite ?

S. solidus est une espèce modèle connue dans le monde de la parasitologie depuis les années 1790 et à partir de laquelle la plupart des techniques actuelles de culture de parasites in vitro ont été développées (Smyth 1990a; c). Le cycle de vie du parasite est très bien décrit dans la littérature, au même titre que certaines des caractéristiques physiologiques qui définissent chacun des stades de vie (Clarke 1954). Or, les données qui étaient disponibles au début de ce doctorat sur les

activités biologiques du parasite concernaient surtout les conditions

environnementales dans lesquelles le parasite peut survivre et se reproduire, notamment les conditions de maturation sexuelle (Smyth 1950), l’effet de la température sur le développement (Smyth 1952), les conditions abiotiques optimales pour la fertilisation des œufs (Smyth 1954) et les variations du métabolisme énergétique au cours de l’infection (Hopkins 1950; 1952; Barrett & Körting 1977; Körting & Barrett 1977). Ces études qui permettent de mieux comprendre certains aspects de la biologie du parasite concernent surtout les niveaux phénotypique (morphologie, suivi de la masse au cours de l’infection) et protéique (activité enzymatique, coloration histochimique, quantification de protéines par réactions biochimiques spécifiques). Par contre, elles ne fournissent que très peu de réponses à la question portant sur la nature des interactions moléculaires et physiologiques qui s’exercent entre le parasite et ses hôtes et la manière dont ces interactions sont régulées par le parasite au cours de l’infection. La description des phénomènes qui se déroulent aux niveaux moléculaires pendant l’infection permettrait de combler ce manque d’information et permettrait de mieux comprendre comment le parasite réussi à passer successivement d’un hôte à un autre dans le cadre de son cycle de vie complexe.

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I.8 Objectifs spécifiques de la thèse

Tel que présenté et décrit à la section I.6, l’objectif global de cette thèse était de développer de nouveaux outils génomiques pour permettre l’étude intégrée des interactions hôte-parasite selon l’approche d’écologie génomique. En s’appuyant sur le système d’étude modèle cestode-épinoche, cette thèse visait plus spécifiquement à étudier : i) les régions codantes d’un génome de parasite, c’est à dire celles qui encodent l’information sur les protéines, ii) la manière dont elles sont régulées au cours de l’infection et iii) les mécanismes moléculaires potentiels par lesquels le parasite pourrait interagir avec ses hôtes pour compléter son cycle vital.

Le prochain chapitre (Chapitre II), également introductoire, développe plus en détail les différentes stratégies selon lesquelles il est possible d’utiliser l’approche d’écologie génomique appliquée à l’étude des interactions hôte-parasite. Il offre une vue d’ensemble des avenues de recherches et des approches analytiques permettant d’étudier la question des mécanismes moléculaires qui y sont rattachés et parmi lesquelles figurent les méthodes mises à profit dans la présente thèse. Ce chapitre démontre l’ubiquité des modifications phénotypiques hôtes déclenchées par les infections parasitaires et discute du cadre théorique qui peut être adopté pour en comprendre les causes et origines.

Le chapitre III présente le point de départ de notre investigation des interactions hôte-parasite au sein du système modèle de l’infection par S. solidus. À partir des quelques ressources génomiques de base disponibles au moment de débuter nos travaux, nous avons caractérisé une partie des régions codantes du génome de S. solidus et inféré la séquence des protéines pouvant être produites à partir de ces régions génomiques. Nous avons ensuite développé une série d’analyses bioinformatiques permettant d’identifier, parmi les protéines inférées, des molécules candidates grâce auxquelles le parasite pourrait potentiellement envoyer des signaux à son hôte afin de compléter son cycle de vie. Cet exercice in silico a permis d’apporter des éléments de réponses en lien avec le postulat de départ dans la mesure où il fournit un premier aperçu des grandes voies physiologiques pouvant être perturbées par le parasite au cours de l’infection et pouvant mener à certaines modifications phénotypiques hôtes qui sont reliées à la complétion du cycle de vie du parasite.

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Au chapitre IV, nous avons généré une ressource génomique jusqu’alors inexistante dans les bases de données, en l’occurrence un transcriptome complet pour trois stades de vie de S. solidus. Pour comprendre comment les activités biologiques d’un parasite influencent et interagissent avec les phénotypes hôtes, il faut d’abord pouvoir bien identifier la nature des activités fonctionnelles développées par celui-ci au cours de l’infection. L’une des méthodes qui permet d’identifier les programmes fonctionnels qu’un organisme exploite au cours de sa vie consiste en la caractérisation des gènes qu’il exprime à différents stades développementaux. Nous avons donc répertorié toutes les régions codantes du génome de S. solidus au stade pré-infectieux, infectieux et adulte afin de mieux comprendre quels gènes sont disponibles à quels moments pendant l’infection et quel rôle fonctionnel chaque gène rempli.

Dans le cadre du chapitre V, nous avons utilisé la ressource produite au chapitre IV pour i) mesurer de manière quantitative les niveaux d’expression de chaque gène à chaque stade développemental et ii) identifier les patrons de régulation des grandes fonctions biologiques utilisées par le parasite. Ce dernier chapitre permet de faire le pont entre les gènes disponibles dans le génome du parasite, la manière dont ils sont utilisés au cours de l’infection et les phénotypes observés chez le parasite et l’hôte. Plus spécifiquement, l’analyse des patrons de régulation de gènes permet de caractériser la signature fonctionnelle inhérente à chaque stade de développement et il permet de décrire la manière dont sont régulés les candidats d’interaction hôte-parasite identifiés au chapitre III. Le postulat de départ repose sur un concept de pluralité de causes moléculaires dont l’interaction et la synergie résulte en l’expression du parasitisme et de ses effets sur l’hôte. Par conséquent, l’étude de la réponse transcriptionnelle (fonctionnelle) du parasite au cours de l’infection permet d’investiguer un ensemble de mécanismes moléculaires potentiels par lesquels le parasite interagit avec son hôte, et ainsi vérifier le postulat de départ. Ce dernier chapitre permet ultimement d’intégrer les résultats obtenus aux chapitres précédents pour consolider nos connaissances sur la nature des interactions hôte-parasite, en plus de fournir des ressources génomiques de référence (transcriptome complet pour trois stades et annotation fonctionnelle des gènes) sur lesquelles reposeront de nouvelles questions de recherche en écologie génomique.

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Chapitre II : Ecological genomics of host

behavior manipulation by parasites

François Olivier Hébert, Nadia Aubin-Horth

Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS)

Département de Biologie, Université Laval

Advances in Experimental Medicine and Biology

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II.1 Résumé

Parmi les nombreuses stratégies d’exploitation de niche utilisées par des millions d’espèces différentes sur Terre, les styles de vies parasitiques s’avèrent extrêmement efficaces d’un point de vue écologique et évolutif. Certains parasites semblent même avoir la capacité de «contrôler» le comportement de leur hôte pour satisfaire leurs propres besoins vitaux. Au cours des dernières décennies, les efforts de recherche se sont surtout concentrés sur l'étude de la diversité phylogénétique, de la nature écologique de ces interactions hôtes-parasites et de leur histoire évolutive. Cependant, pour comprendre les causes proximales et ultimes d’altérations comportementales déclenchées par des infections parasitaires, il importe d’identifier et de caractériser les mécanismes moléculaires sous-jacents. Des études basées sur l’approche d’écologie génomique ont pu identifier des molécules candidates clés pouvant être impliquées dans l'interaction moléculaire hôte-parasite, en plus d’autres molécules dont l’impact sur le comportement était jusqu’alors insoupçonné. Ces études ont montré l'importance de procéder à des analyses fonctionnelles, d’utiliser une approche comparative et d’inclure une ligne temporelle dans le dispositif expérimental. Les méthodes à haut débit permettant l’étude de différents niveaux d'information biologique, tels que le transcriptome et l'épigénome, suggèrent que des processus biologiques spécifiques sont affectés par l'infection, que les effets sexuels spécifiques au niveau du comportement sont reproduits au niveau de la transcription et que le contrôle épigénétique représente un facteur clé dans la gestion des stades développementaux du parasite via régulation temporelle de l'expression des gènes. Les processus post-traductionnels, tels que les interactions protéine-protéine (interactome) et les modifications post-traductionnelles (par exemple, la phosphorylation des protéines, le phosphorylome) et les processus modifiant l'expression et la traduction des gènes, comme les interactions avec les microARN, représentent des niveaux d’organisation du vivant qui promettent de révéler de précieux renseignements sur les causes proximales et ultimes de ces interactions inter-spécifiques fascinantes et complexes.

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II.2 Abstract

Among the vast array of niche exploitation strategies exhibited by millions of different species on Earth, parasitic lifestyles are characterized by extremely successful evolutionary outcomes. Some parasites even seem to have the ability to ‘control’ their host's behavior to fulfill their own vital needs. Research efforts in the past decades have focused on surveying the phylogenetic diversity and ecological nature of these host-parasite interactions, and trying to understand their evolutionary significance. However, to understand the proximal and ultimate causes of these behavioral alterations triggered by parasitic infections, the underlying molecular mechanisms governing them must be uncovered. Studies using ecological genomic approaches have identified key candidate molecules involved in host-parasite molecular cross-talk, but also molecules not expected to alter behavior. These studies have shown the importance of following up with functional analyses, using a comparative approach and including a time-series analysis. High-throughput methods surveying different levels of biological information, such as the transcriptome and the epigenome, suggest that specific biologically-relevant processes are affected by infection, that sex-specific effects at the level of behavior are recapitulated at the level of transcription, and that epigenetic control represents a key factor in managing life cycle stages of the parasite through temporal regulation of gene expression. Post-translational processes, such as protein-protein interactions (interactome) and post translational modifications (e.g. protein phosphorylation, phosphorylome), and processes modifying gene expression and translation, such as interactions with microRNAs (microRNAome), are examples of promising avenues to explore to obtain crucial insights into the proximal and ultimate causes of these fascinating and complex inter-specific interactions.

Figure

Table II.1 Diversity of parasites, hosts and behaviours reported to change following infection
Figure  II.2  Impact  of  parasite  infections  on  behavioral  correlations.  a)  Values  of  only  one  behavior  increase,  b)  Stronger  correlation  between  both  behaviors,  c)  Association between behaviors is uncoupled, d) Inversion of the correla
Figure III.3 Pipeline analysis of an integrated approach combining different  complementary fields of research
Table  II.1  Species  used  as  control,  host  and  parasite  references  for  protein  identification
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Références

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