Estudi del transcriptoma de l’Escherichia coli adherent-invasiva (AIEC) per desxifrar les bases moleculars implicades en la seva patogenicitat

Abstract

Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) is a bacterium found in the intestine that can adhere to and invade intestinal epithelial cells and to survive and replicate inside macrophages. Although it has also been detected in healthy individuals, this bacterium is more frequently found in patients with Crohn's disease, a chronic inflammatory bowel disease. The conditions of the inflamed intestine favor the survival and colonization of AIEC, while AIEC also contribute to increased inflammation and intestinal damage. AIEC are genetically similar to non-pathogenic strains of intestinal E. coli (non-AIEC), although the latter are not virulent and generally do not cause damage. In fact, no gene or genetic variant has yet been detected that allows differentiation between AIEC and non-AIEC, making their identification in the laboratory very difficult. Our hypothesis is that the pathogenicity of AIEC is due to differential gene expression between these strains and non-AIEC. The aim of this thesis is to detect these differences in gene expression between AIEC and non-AIEC and to study their implication in pathogenicity.

Changes in gene expression are observed depending on the conditions in which the bacteria are found. For this reason, gene expression was analyzed during the infection of cell cultures. We have detected several genes that may be relevant in the pathogenicity of AIEC and that could be used as molecular markers for their identification. Among these, we have focused on genes that are part of the arginine and colanic acid biosynthesis pathways. To understand the relation between these two pathways and the pathogenicity of AIEC, mutants were generated and characterized in the laboratory. It was observed that the regulator ArgR, which regulates the expression of arginine biosynthesis genes, is also involved in controlling other genes, some of which are involved in AIEC's pathogenic characteristics of motility, cellular invasion or intracellular survival, and biofilm formation. On the other hand, inducing the expression of colanic acid biosynthesis genes resulted in increased motility, while the adhesion to cells and biofilm formation capacities decreased. This finding has allowed us to relate the expression of these genes and various pathogenicity characteristics, indicating the importance of these genes in AIEC.

Therefore, this thesis has identified differences in gene expression between AIEC and non-AIEC strains and related them to their pathogenicity, as well as proposed molecular markers for AIEC identification

L’Escherichia coli adherent-invasiva (AIEC; de l’anglès “adherent-invasive Escherichia coli”) és un bacteri present a l’intestí que té la capacitat d’adherir-se i envair les cèl·lules epitelials intestinals, i de sobreviure i replicar-se a l’interior dels macròfags. Tot i que s’ha detectat també en persones sanes, aquest bacteri es troba més freqüentment en pacients que pateixen la malaltia de Crohn, una malaltia inflamatòria intestinal crònica. Les condicions de l’intestí inflamat afavoreixen la supervivència i la colonització de les AIEC, mentre que les AIEC també contribueixen a una major inflamació i dany intestinal, creant-se així una roda. Les AIEC són molt similars genèticament a les soques d’E. coli no patògenes de l’intestí (no-AIEC), tot i que aquestes últimes no són virulentes i generalment no provoquen dany. De fet, encara no s’ha detectat cap gen o variant gènica que permeti diferenciar les AIEC de les no-AIEC, dificultant molt la seva identificació al laboratori. La nostra hipòtesi és que la patogenicitat de l’AIEC es deu a una expressió diferencial de gens entre aquestes soques i les no-AIEC. L’objectiu d’aquesta tesi ha estat detectar aquestes diferències d’expressió gènica entre AIEC i no-AIEC i estudiar-ne la implicació en la patogenicitat.

L’expressió gènica varia dràsticament en funció de les condicions en les que es troben els bacteris. Per això l’estudi de les diferències d’expressió s’ha realitzat durant la infecció de cultius cel·lulars. S’han detectat gens que podrien ser rellevants en la patogenicitat de les AIEC i que podrien ser útils com a marcadors moleculars per la seva identificació. D’entre aquests, ens hem interessat per gens que formen part de la via de biosíntesi de l’arginina i de l’àcid colànic. Per conèixer quin paper juguen aquestes dues vies en la patogenicitat de les AIEC s’han generat mutants i se n’ha estudiat el comportament al laboratori. S’ha observat que el regulador ArgR, que regula l’expressió dels gens de la biosíntesi de l’arginina, també està implicat en el control d’altres gens, alguns dels quals estan involucrats en les característiques patogèniques de l’AIEC de motilitat, invasió cel·lular o supervivència intracel·lular i formació de biofilm. D’altra banda, a l’induir l’expressió dels gens de biosíntesi de l’àcid colànic, s’ha observat un augment de la motilitat, mentre que la capacitat d’adhesió a les cèl·lules i de formar biofilm han disminuït. Aquest fet ha permès establir certa relació entre l’expressió d’aquests gens i vàries característiques de patogenicitat, indicant la importància d’aquests gens en l’AIEC.

Per tant, aquesta tesi ha permès identificar diferències d’expressió gènica entre les soques AIEC i no-AIEC i relacionar-ho amb la seva patogenicitat, així com proposar marcadors moleculars per la seva identificació