Le quorum sensing bactérien dans l'environnement marin : diversité moléculaire et génétique des auto-inducteurs

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Submitted on 8 Oct 2016

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Le quorum sensing bactérien dans l’environnement

marin : diversité moléculaire et génétique des

auto-inducteurs

Margot Doberva

To cite this version:

Margot Doberva. Le quorum sensing bactérien dans l’environnement marin : diversité moléculaire et génétique des auto-inducteurs. Ecosystèmes. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. Français. �NNT : 2016PA066049�. �tel-01377951�

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�� 7 SOMMAIRE 9 LISTE DES ABBRÉVIATIONS 15 TABLE DES ILLUSTRATIONS 17 TABLE DES TABLEAUX 19 CHAPITRE I : INTRODUCTION : LA COMMUNICATION INTERCELLULAIRE CHEZ LES MICRO ORGANISMES 23 I1 LES BACTERIES MARINES ET LEURS ENVIRONNEMENTS 23

I‐1‐1 LES BACTERIES MARINES: QUELLE PLACE DANS L'ENVIRONNEMENT MARIN ? 23

I‐1‐1‐1 Les bactéries libres : la colonne d'eau 24 I‐1‐1‐2 Les bactéries attachées : la neige marine 24 I‐1‐1‐3 Les bactéries associées au phyto‐ et zoo‐ plancton 25 I‐1‐1‐4 La communauté bactérienne du sédiment 25 I‐1‐1‐5 Les bactéries associées aux macro‐algues 25 I‐1‐1‐6 Les bactéries associées aux plantes 26 I‐1‐1‐7 Les bactéries associées aux invertébrés marins 26 I‐1‐1‐8 Les bactéries associées aux vertébrés marins 27 I‐1‐2 L'IMPLICATION DES BACTERIES MARINES DANS LE RESEAU TROPHIQUE ET LES CYCLES BIOGEOCHIMIQUES 27

I‐1‐3 DE L'ECOLOGIE MICROBIENNE A L'ECOLOGIE CHIMIQUE 29 I2 LE QUORUM SENSING : LA COMMUNICATION BACTERIENNE INTERCELLULAIRE 31 I‐2‐1 HISTORIQUE : DE L'ETUDE DE LA BIOLUMINESCENCE A LA DECOUVERTE ET LA COMPREHENSION DU

MECANISME DE QUORUM SENSING 31 I‐2‐2 LE MECANISME GENERAL DU QUORUM SENSING BACTERIEN 32 I‐2‐3 LES PHENOTYPES REGULES PAR QUORUM SENSING CHEZ LES BACTERIES 34 I‐2‐3‐1 La nodulation 34 I‐2‐3‐2 Les facteurs de virulence 35 I‐2‐3‐3 La mobilité bactérienne 35 I‐2‐3‐4 La fructification 36 I‐2‐3‐5 Le transfert d'ADN 36 I‐2‐3‐6 Les biofilms 36 I‐2‐3‐7 Les produits extracellulaires 37 I‐2‐3‐8 L'incorporation du phosphore 37 I‐2‐3‐9 La morphologie cellulaire 38 I‐2‐3‐10 La bioluminescence 38 I‐2‐4 LES MOLECULES SIGNAL CHEZ LES BACTERIES 39 I‐2‐4‐1 Les Auto‐Inducteurs de types 1 et 2 : molécules et gènes codant les voies de biosynthèse 40 I‐2‐4‐1‐1 Les Auto‐Inducteurs de type 1 (AI‐1) 40 I‐2‐4‐1‐2 L'Auto‐Inducteur de type 2 (AI‐2) 43 I‐2‐4‐1‐3 Phylogénie des gènes impliqués dans la production des AI‐1 & ‐2 44 I‐2‐4‐2 Les autres molécules signal 48 I‐2‐4‐2‐1 L'Auto‐Inducteur de type 3 (AI‐3) 48 I‐2‐4‐2‐2 Le Cholerae Auto‐Inducteur (CAI) 48

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I‐2‐4‐2‐3 Le 3‐hydroxy Palmitic Acid Methyl Ester (PAME) 48 I‐2‐4‐2‐4 Le Pseudomonas Quinolone Signal (PQS) 49 I‐2‐4‐2‐5 Les DiKetoPiperazines (DKP) 49 I‐2‐4‐2‐6 Les Diffusible Signal Factor (DSF) 50 I‐2‐4‐2‐7 Le butyrolactone (GBL) 51 I‐2‐4‐2‐8 Les facteurs A/B/C/D/E 51 I‐2‐4‐2‐9 Les Auto‐Inducing Peptides (AIP) 51 I‐2‐4‐2‐10 La bradyoxetine (CDF) 52 I‐2‐4‐2‐11 L'indole : l'acide indole‐3‐acétique (IAA) 53 I‐2‐4‐2‐12 L'acide tropodithietique (TDA) 53 I‐2‐4‐4 Les AI‐1 : centre des interconnexions de plusieurs voies de QS bactérien 55 I‐2‐4‐5 Les autres activités biologiques des molécules signal 56 I‐2‐5 L'INHIBITION DU QUORUM SENSING BACTERIEN 57 I‐2‐5‐1 Les facteurs abiotiques 57 I‐2‐5‐2 Les inhibiteurs moléculaires (mimétisme et réaction chimique) 58 I‐2‐5‐3 Les enzymes (acylases et lactonases) 60 I‐2‐5‐4 Les applications de l’inhibition du quorum sensing 61 I‐2‐6 LE QUORUM SENSING INTRA‐ ET INTER‐ DOMAINES 62

I‐2‐6‐1 La communication intra‐domaine 62 I‐2‐6‐1‐1 Le quorum sensing entre les Archées 62 I‐2‐6‐1‐2 Le quorum sensing entre les Eucaryotes 63 I‐2‐6‐3 La communication inter‐domaines 64 I‐2‐6‐3‐1 La communication entre les plantes et les bactéries 64 I‐2‐6‐3‐2 La communication entre les animaux et les bactéries 65 I‐2‐7 INFLUENCE DE L'ENVIRONNEMENT ET CONCEPT DE QUORUM SENSING 65 I‐2‐8 QUELS MECANISMES DE QUORUM SENSING BACTERIEN SONT RETROUVES DANS LES DIFFERENTS ECOSYSTEMES MARINS ? 67 I‐2‐8‐1 Le QS chez bactéries libres de la colonne d'eau 67 I‐2‐8‐2 Le QS chez les bactéries attachées 68 I‐2‐8‐3 Le QS dans la communauté bactérienne du sédiment 68 I‐2‐8‐4 Le QS chez bactéries associées au plancton 69 I‐2‐8‐5 Le QS chez les bactéries associées aux macro‐algues 70 I‐2‐8‐6 Le QS chez les bactéries associées aux plantes 70 I‐2‐8‐7 Le QS chez les bactéries associées aux invertébrés marins 70 I‐2‐8‐8 Le QS chez les bactéries associées aux vertébrés marins 71 I3 LES OBJECTIFS ET LES METHODES DE CE TRAVAIL DE RECHERCHE 72 I‐3‐1 LES OBJECTIFS DE CETTE THESE DE DOCTORAT 72 I‐3‐1‐1 Quelle est la diversité taxonomique et moléculaire des bactéries marines cultivables utilisant le QS basé sur les AI‐1 ? 73 I‐3‐1‐2 Quelle est la prévalence du quorum sensing basé sur les AI‐ et ‐2 chez les bactéries marines ? 74 I‐3‐1‐3 Quel est le rôle fonctionnel du QS chez les Rhodobacteraceae dans l'environnement marin naturel ? 75 I‐3‐2 QUELLES TECHNIQUES UTILISER POUR ABORDER LES QUESTIONS LIEES AU QUORUM SENSING EN MILIEU MARIN ? 76 I‐3‐2‐1 Les méthodes dépendantes des techniques de culture : de la microbiologie pasteurienne aux approches de chimie des substances naturelles 76 I‐3‐2‐2 Les méthodes indépendantes des techniques de culture : les approches de génomique environnementale 77

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CHAPITRE II : PUBLICATION : LARGE DIVERSITY AND ORIGINAL STRUCTURES OF AHLS IN MARIBIUS SP MOLA 401, AN OLIGOTROPHIC MARINE ROSEOBACTER BACTERIA 83

ABSTRACT 84

INTRODUCTION 85

MATERIALS & METHODS 88

CULTURE OF MARIBIUS MOLA 401 STRAIN 88

PHYLOGENETIC ANALYSES OF MARIBIUS MOLA 401 16S RRNA AND QUORUM SENSING GENES 88

AHLS STANDARDS USED IN THIS STUDY 89

EXTRACTION OF AHLS FROM MARIBIUS SP. MOLA 401 SUPERNATANTS 89

HPLC MICROFRACTIONNEMENT 90 CULTURE OF BIOSENSOR STRAINS 90 LC‐MSANALYSES 91 MS/MS SPECTRA DESCRIPTION 93 MOLECULAR FORMULA DETERMINATION 94

RESULTS & DISCUSSION 95

PRESENCE AND CHEMICAL FEATURES OF AHLS IN MARIBIUS SP. 95

LINKING GENETIC AND CHEMICAL FEATURES 99

ECOLOGY OF MARIBIUS SP. MOLA401 103

CONCLUSIONS 104

AKNOWLEDGEMENTS 105

BIBLIOGRAPHY 106

SUPPLEMENTARY FIGURE : CHROMATOGRAMS OF FRACTIONS M1M22 AND AHLS MS/MS SPECTRA

(FROM A TO U) 111

CHAPITRE III : PUBLICATION : DIVERSITY OF QUORUM SENSING AUTOINDUCER SYNTHASES IN THE GLOBAL OCEAN SAMPLING METAGENOMIC DATABASE 125 ABSTRACT 126 INTRODUCTION: 127

MATERIALS & METHODS 130

CONSTRUCTION OF REFERENCE DATABASES FOR AI SYNTHASE PROTEINS 130 SCREENING FOR AI SYNTHASES IN THE GOS METAGENOME 130 NORMALIZATION OF AI COUNTS IN GOS METAGENOMES TO SINGLE COPY GENES 131

PHYLOGENETIC ANALYSIS 132

RESULTS 133

FEATURES OF AI SYNTHASE PROTEIN REFERENCE DATABASES 133 ABUNDANCE AND DIVERSITY OF LUXI SYNTHASES IN THE GOS DATASET 135

ABUNDANCE AND DIVERSITY OF HDTS SYNTHASES IN THE GOS DATASET 137 ABUNDANCE AND DIVERSITY OF LUXS SYNTHASES IN THE GOS DATASET 141 DIVERSITY OF AINS SYNTHASES IN THE GOS DATASET 143

CORRELATION WITH ENVIRONMENTAL VARIABLES 143

DISCUSSION 145

AKNOWLEDGEMENTS 149

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CHAPITRE IV : DISCUSSION GENERALE & PERSPECTIVES : DIVERSITE, PREVALENCE ET EXPRESSION DU QUORUM SENSING BASE SUR LES AHLS DANS L’ENVIRONNEMENT MARIN

159

V1 QUELLE EST LA PREVALENCE DU QSBASE SUR LES AHLS DANS L'ENVIRONNEMENT MARIN? 159 V‐1‐1 LA PRESENCE D'AHLS CHEZ LES BACTERIES ISSUES DES DIVERS ECOSYSTEMES MARINS 159 V‐1‐2 LA PRESENCE DE GENES CODANT LES AHL SYNTHASES DANS L'ENVIRONNEMENT MARIN 167 V‐1‐3 L'EXPRESSION DES GENES CODANT LES AHL SYNTHASES DANS L'ENVIRONNEMENT MARIN 169

V2 QUELS LIENS ENTRE LA DIVERSITE MOLECULAIRE DE LA FAMILLE DES AHLS ET CELLE DES GENES

CODANT LES AHL SYNTHASES ? 172

V‐2‐1 LA FAMILLE DE GENES CODANT LES AHL SYNTHASE LUXI 172 V‐2‐2 LA FAMILLE DE GENES CODANT LES AHL SYNTHASES HDTS 172 V‐2‐3 LIEN GENE CODANT L'AHL SYNTHASE ET AHLS SYNTHETISEES 173 V3 QUELS SONT LES ROLES FONCTIONNELS DES AHLS DANS L'ENVIRONNEMENT MARIN ? 174 V‐3‐1 DIVERSITE POTENTIELLE DES FONCTIONS DES AHLS 174 V‐3‐2 SUIVI ENVIRONNEMENTAL DE L'EXPRESSION DU GENE LUXI DE ROSEOBACTER 175 V‐3‐3 EXTINCTION DU GENE LUXI DE MARIBIUS SP : TROUVER LE(S) PHENOTYPE(S) REGULE(S) 176

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ANNEXES 209 COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES LIEES A CE TRAVAIL DE THESE 209 PRESENTATIONS ORALES 209 POSTER 209 ARTICLES SCIENTIFIQUES ORIGINAUX ET DE REVUE 211 Genome sequence of the sponge associated Ruegeria halocynthiae Strain MOLA R1/13b, a marine Roseobacter with two quorum sensing based communication systems 212 ABSTRACT 213 GENOME ANNOUNCEMENT 213 REFERENCES 215

Genome sequence of Maribius sp. Strain MOLA 401, a marine Roseobacter with a quorum sensing cell dependent physiology 217 ABSTRACT 218 GENOME ANNOUNCEMENT 218 REFERENCES 220 Revue : Fundamental aspects of bioluminescence in marine microorganisms 225 ABSTRACT 226 INTRODUCTION 227 BIOLUMINESCENCE_{IN DINOFLAGELLATES} 229 “Shining” sea and spatial distribution of bioluminescent dinoflagellates 229 Ecological function of bioluminescence 237 Three mostly studied bioluminescent species 238 Regulation of bioluminescence in dinoflagellates 240 General aspects 240 The dinoflagellate flash model 243 Clock control in Lingulodinium polyedrum 244 Scintillon translocation in Pyrocystis 245 BIOLUMINESCENCE_{IN MARINE BACTERIA} 246 Milky sea phenomenon and ecological function of bioluminescence 246 The taxonomy of bioluminescent bacteria 247 Quorum sensing and lux‐related light production 250 General aspects 250 Regulation of Vibrio fischeri bioluminescence by quorum sensing 251 Vibrio fischeri versus V. harveyi bioluminescence regulation 253 Bioluminescent bacteria living in symbiosis 255 Vibrios ‐ metazoan associations 255 Ecological consequences of host‐symbiont interaction 256 CONCLUSION 259 ACKNOWLEDGEMENTS 261

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ABLEAUX ANNEXES 279

Schéma bilan de cette thèse de doctorat

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