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Interactions phage-hôte et caractérisation de la résistance aux phages chez Lactococcus lactis

Bactéries et phages sont en perpétuelle compétition dans l’environnement et évoluent conjointement. Plusieurs mécanismes ont été développés de part et d’autre pour maintenir un état d’équilibre. D’un côté, les phages sont des entités qui se répliquent efficacement et rapidement en parasitant leur bactérie hôte. D’un autre côté, les bactéries ont acquis des mécanismes de résistance aux bactériophages tels que les systèmes d’avortement de l’infection (Abi) pour limiter l’infection et la propagation des phages dans les populations bactériennes. Plus spécifiquement, le système antiphage AbiQ a été isolé de la bactérie Lactococcus lactis. Cette dernière est utilisée pour la production de divers produits laitiers fermentés. Malgré cet environnement contrôlé, des phages peuvent perturber les fermentations s’ils sont présents dans le lait et les usines. Il n’est donc pas surprenant que cette bactérie possède des systèmes contre ces envahisseurs. Le système antiphage AbiQ serait similaire à un mécanisme de type toxine-antitoxine (TA), mais son fonctionnement demeure jusqu’à maintenant inconnu. Au cours de ce projet de doctorat, trois objectifs ont été poursuivis afin de comprendre la relation entre la bactérie Lactococcus lactis et ses phages. Dans un premier temps, le génome du phage 949, un membre d’un groupe rare de lactophages portant son nom, a été séquencé et caractérisé. Une comparaison de tous les génomes de phages infectant L. lactis a été réalisée afin de confirmer la classification actuelle. Dans un deuxième temps, le mode d’action toxine-antitoxine du système AbiQ de L. lactis a été approfondi. Pour ce faire, des expériences ont été réalisées afin de démontrer que ce système est un mécanisme de type TA composé d’une antitoxine d’ARN et d’une toxine protéique avec une activitée ribonucléase. Dans un troisième temps, l’effet d’AbiQ sur la réplication des phages a été évalué. En isolant des phages mutants ayant la capacité de contourner le mécanisme, des cibles phagiques potentielles du système AbiQ ont été identifiées. Comprendre la relation phage-hôte est la clé pour le développement de bactéries résistantes aux phages dans un contexte de production industrielle ou pour limiter l’apparition de résistance aux phages lors du traitement des infections bactériennes par la thérapie phagique.

Bacteria and phages are continuously challenging each other and evolve in most ecosystems. Many strategies have been adapted by both of them to reach an equilibrium state. On one side, phages can infect efficiently and rapidly their bacterial host. On the other side, bacteria have acquired antiphage mechanisms to resist phage infection and limit their propagation such as abortive infection mechanisms (Abi). Specifically, the AbiQ antiphage system was isolated from Lactococcus lactis. This bacterium is used to produce an array of fermented dairy products. Even if this environment is tightly controlled, phages are ubiquitous in milk and in factories, and they can affect fermentations. The AbiQ antiphage system ressembles to a toxin-antitoxin (TA) system, but its mode of action is still unknown. In this study, three objectives were persued in order to better understand the relationship between Lactococcus lactis and its phages. First, the phage 949 genome, a member of a rare lactophage group that bears its name, was sequenced and characterized. A genome comparison of all lactococcal phages sequenced to date was done to confirm the current phage classification. In the second objective, we have confirmed that AbiQ is indeed a toxin-antitoxin system. Experiments were performed to demonstrate that this TA mechanism is composed of a RNA antitoxin and a protein toxin with ribonuclease activity. In the third objective, the effect of AbiQ on the phage replication was evaluated. By isolating phage mutants able to escape the mechanism, different phage targets were identified. Understanding the phage-host relationships is the key to develop efficient tools to reduce phage infection in industrial settings or to limit the development of phage resistance in other applications such as in phage therapy.