Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members.
Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies.
The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism.
Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity.
P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host.
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Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina.
Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences.
Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant.
Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte.
P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.