Inter-stain interactions of a vector-borne parasite over its life cycle, "Borrelia afzelii", "Mus musculus", "Ixodes ricinus" model - Genné Vizcardo, Dolores (Neuchâtel, 2021)
Plusieurs espèces de pathogènes sont constituées de souches génétiquement différentes. Lorsque des hôtes sont simultanément infectés par plusieurs souches, l’infection est alors nommée mixte ou co-infection. Lors des infections mixtes, les souches présentes peuvent interagir et cela peut influencer leur succès de transmission et par conséquent, la fréquence de chaque souche dans la population du pathogène. Les pathogènes à transmission vectorielle ont un cycle de vie complexe, qui inclut à la fois un hôte vertébré et un vecteur arthropode. Ainsi, les interactions inter-souches peuvent se produire à la fois dans l’hôte et dans le vecteur. Les interactions dans l’hôte pourraient donc influencer la transmission des souches vers le vecteur et inversement, les interactions dans le vecteur pourraient influencer la transmission des souches vers un hôte naïf. Dans cette thèse, la bactérie à transmission vectorielle Borrelia afzelii fut utilisée comme modèle, pour investiguer les interactions inter-souches et comment celles-ci influencent la transmission des souches et leur fitness au travers de leur cycle de vie. B. afzelii est l’une des bactéries responsables de la maladie de Lyme en Europe. Cette bactérie est transmise par la tique du chien (Ixodes ricinus) et utilise les petits mammifères (par ex. les rongeurs) comme hôtes réservoirs. Deux souches génétiquement distinctes de B. afzelii (suisse et finlandaise) furent utilisées afin d’examiner les effets de la co-infection dans l’hôte et le vecteur.
Dans le chapitre 1, des souris de laboratoire furent expérimentalement infectées, via la piqûre de tiques, avec une souche ou deux souches de B. afzelii. Pour établir l’efficacité de la transmission hôte-vecteur des souches, des tiques I. ricinus de notre colonie de laboratoire furent nourries sur les souris infectées. Celles-ci furent ensuite testées pour déterminer quantifier la présence des souches. Le chapitre 1 révéla que les co-infections dans les souris réduisirent le succès de transmission hôte-vecteur des souches ainsi que leur abondance dans les tiques. Ce chapitre est l’une des premières études à démontrer que la co-infection est un facteur important pour déterminer l’abondance des souches dans le vecteur.
Dans le cycle de vie I. ricinus, les larves acquièrent la bactérie lorsqu’elles se nourrissent sur un hôte infecté. Ces larves muent ensuite en nymphes, qui sont responsables de la transmission de la bactérie à la nouvelle génération d’hôtes l’année suivante. La bactérie doit donc survivre dans l’intestin des nymphes durant une longue période (8 – 12 mois). Le chapitre 2 testa l’influence de l’âge des nymphes (1 mois vs 4 mois) et de différentes conditions environnementales (été vs hiver), sur l’interaction des souches présentes dans les nymphes. Ce chapitre révéla que l’abondance des souches diminua avec l’âge des nymphes, mais que les conditions environnementales testées n’eurent pas d’impact.
Dans le chapitre 3, la présence et l’abondance des deux souches furent quantifiées dans 6 organes (la vessie, l’oreille droite, l’oreille gauche, le cœur, l’articulation de la cheville et la peau du dos) de souris infectées avec l’une des souches ou les deux. Cette expérience montra que la co-infection dans les souris réduisit la prévalence de la souche finlandaise dans les organes testés. À l’inverse, la souche suisse ne fut pas affectée par la co-infection. Une relation positive entre la prévalence (ou l’abondance) de chaque souche dans les tissus des souris et le succès de transmission hôte-vecteur de chaque souche fut trouvée. De plus, il fut établi que les tissus externes (par ex. les oreilles) sont plus importants pour définir le succès de transmission hôte-vecteur des souches, que les organes internes (par ex. la vessie). Le chapitre 3 contribua à améliorer notre compréhension de la biologie des infections mixtes, en démontrant les liens de causalité entre les coinfections dans l’hôte, la distribution et abondance des souches dans les tissus de l’hôte et, par conséquent, le succès de transmission hôte-vecteur des souches.
Le chapitre 4 investigua l’influence des infections mixtes dans le vecteur sur le succès de transmission vecteur-hôte des souches. Des nymphes coinfectées ou infectées avec une souche uniquement, se nourrirent sur des souris naïves, puis le statut d’infection de celles-ci fut déterminé. Ce chapitre confirma que l’impact négatif des co-infections dans l’hôte sur le succès de transmission hôte-vecteur des souches (observé dans les chapitres 1,2 et 3) influençait le succès de la transmission suivante (vecteur-hôte) et donc le fitness des souches. La probabilité de succès de la transmission vecteur-hôte des tiques, qui se nourrirent sur les souris coinfectées, était plus faible, car ces souches étaient moins abondantes dans les tiques coinfectées. Le chapitre 4 ne trouva, cependant, pas d’évidence que la co-infection dans les nymphes influence le succès de transmission vecteur-hôte des souches. Ce chapitre montra également une différence de succès de transmission nymphe-hôte des souches de l’ordre de 2.
Cette thèse renforce l’idée que les souches de pathogènes à transmission vectorielle peuvent subir des trade-offs dans différentes étapes de leurs cycles de vie complexes. Dans les souris coinfectées, la souche suisse avait une meilleure transmission hôte-vecteur que la souche finlandaise. À l’inverse, la souche finlandaise était plus abondante dans la tique et sa transmission tique-vecteurs était supérieure. Ainsi, les souches suisse et finlandaise se sont mieux adaptées à l’hôte et au vecteur respectivement.
Abstract
Many pathogens consist of genetically distinct strains. When hosts are simultaneously infected with multiple strains the phenomenon is known as a mixed infection or a co-infection. In mixed infections, strains can interact with each other and these interactions between strains can have important consequences for their transmission and frequency in the pathogen population. Vector-borne pathogens have a complex life cycle that includes both a vertebrate host and an arthropod vector. As a result of this complexity, interactions between strains can occur in both the host and the vector. Interactions between strains in the vertebrate host are expected to influence transmission from the co-infected host to uninfected vectors. Conversely, interactions between strains in the arthropod vector are expected to influence transmission from the co-infected vector to the uninfected host. This thesis used the tick-borne bacterium, Borrelia afzelii, as a model system to investigate how co-infection and interactions between strains influence their transmission and lifetime fitness over the course of the tick-borne life cycle. B. afzelii is a common cause of Lyme disease in Europe, it is transmitted by the castor bean tick (Ixodes ricinus) and it uses small mammals (e.g. rodents) as a reservoir host. An experimental approach with two genetically distinct strains of B. afzelii (one Swiss stain, one Finnish strain) was used to investigate the effects of co-infection in both the host and the vector.
In Chapter 1, lab mice were experimentally infected via tick bite with either 1 or 2 strains of B. afzelii. The infected mice were then fed upon by I. ricinus ticks from a laboratory colony to quantify host-to-tick transmission. qPCR was used to determine the presence and abundance of each strain in the ticks. Chapter 1 found that co-infection in the mice reduced the host-to-tick transmission success of the strains. This chapter also found that co-infection reduced the abundance of each strain in the tick. This is one of the first studies to show that co-infection is important for determining the abundance of the pathogen strains in the vector.
In the lifecycle of B. afzelii, the bacterium is acquired by larval ticks that blood feed on an infected host. These larvae subsequently moult into nymphs that are responsible for transmitting the bacterium to the next generation of hosts. The bacterium has to persist inside the midgut of the nymph for a long time (8 – 12 months). Chapter 2 investigated whether nymphal ageing (1-month-old vs 4-month-old nymphs) under different environmental conditions (summer vs winter) influenced the interactions between strains in co-infected ticks. The spirochete abundance inside the nymph decreased with nymphal age, but there was no effect of the environmental conditions investigated.
In Chapter 3, the presence and abundance of the two strains of B. afzelii were quantified in the tissues of 6 different organs (bladder, left ear, right ear, heart, ankle joint, and dorsal skin) that were harvested from the co-infected and singly infected mice. This study showed that co-infection in the mouse host reduced the prevalence of the Finnish strain in the host tissues (but the Swiss strain was not affected by co-infection). Chapter 3 found a positive relationship between the prevalence (or abundance) of each strain in the mouse tissues and the host-to-tick transmission of each strain. External tissues (e.g. ears) were more important for host-to-tick transmission than internal organs (e.g. bladder). Chapter 3 enhances our understanding of the biology of mixed infections by showing the causal links between co-infection in the host, the distribution and abundance of the strains in host tissues and the subsequent host-to-tick transmission success of the strains.
Chapter 4 investigated how co-infection in the arthropod vector influences vector-to-host transmission success. A second infection experiment was performed, where naïve mice were exposed to nymphs that were either co-infected or infected with one of the two strains (i.e., using the nymphs generated in Chapters 1 and 2). The infection status of the mice was then tested using the same qPCR-based methods. Importantly, Chapter 4 confirmed that the negative effect of co-infection in the mouse on host-to-tick transmission (observed in Chapters 1, 2, and 3) had real fitness consequences for subsequent tick-to-host transmission. Ticks that had fed on co-infected mice were much less likely to transmit their strains to the host because these strains were less common inside these co-infected ticks. Chapter 4 did not find evidence that co-infection in the nymph influenced the nymph-to-host transmission success of each strain. This Chapter did find that there was a two-fold difference in nymph-to-host transmission success between the two strains.
This work provides evidence for the idea that vector-borne pathogen strains can exhibit trade-offs across the different steps of their complex life cycles. In the co-infected mice, the Swiss strain had higher host-to-tick transmission success than the Finnish strain. Conversely, the Finnish strains had higher spirochete loads in the tick vector and had tick-to-host transmission success. Thus, the Swiss and Finnish strains are specialized on the host versus the vector, respectively.
Doctorat, Université de Neuchâtel, Institut de biologie
Keywords: « Borrelia afzelii »; co-infection; compétition inter-souche; maladie de Lyme; « Ixodes ricinus »; transmission; pathogène à transmission vectorielle; « Borrelia afzelii »; co-infection; inter-strain competition; Lyme borreliosis; « Ixodes ricinus »; transmission; vector-borne pathogen