Bacillus cereus est une bactérie connue pour être le deuxième agent responsable de Toxi-Infections Alimentaires Collectives (TIAC) en France depuis 2012. Plusieurs cas d'infections locales et systémiques à B. cereus ont également été signalés. Par sa capacité à former des biofilms et à sporuler, B. cereus pose de vrais problèmes en agroalimentaire et en santé publique en résistant aux procédures de nettoyage et désinfection. Il reste néanmoins beaucoup d’interrogations sur les différences de toxicité observées chez les souches de B. cereus, des souches étant inoffensives pour l’Homme alors que d’autres sont mortelles. Or, les industries agroalimentaires et les hôpitaux ont besoin de savoir si une souche retrouvée dans leur environnement présente un danger et nécessite une intervention qui pourra avoir des répercussions économiques et humaines. Pour répondre à ces enjeux, mon travail a consisté à collecter et caractériser 564 souches isolées dans le cadre de TIAC et 56 souches isolées suite à des cas d’infections non-gastro-intestinales dans le but de les comparer avec des souches environnementales de B. cereus non reliées à des infections et identifier ce qui les différencie.A la suite de l’analyse complète des données épidémiologiques et cliniques des souches de B. cereus ainsi que leur typage et leur caractérisation sur un modèle de caractérisation génétique basé sur la détection de dix gènes présumés impliqués dans la virulence, des souches d’intérêts ont été sélectionnées pour faire l’objet d’une étude approfondie de toxicité et de transcriptomique. Cette première partie du travail a également permis d’approfondir les connaissances portant sur les foyers de TIAC causés par B. cereus et aussi de mettre en évidence des cas de contaminations croisées survenues au sein de plusieurs hôpitaux français pouvant conduire au décès du patient.L’étude portant sur la toxicité in vitro des souches sur trois modèles cellulaire eucaryotes a montré des différences significatives entre des B. cereus qui ont causé des infections et ceux non reliés à des infections. L’étude de trancriptomique différentielle a permis d’identifier une liste de marqueurs qui pourraient être utilisés, après validation, pour différencier les souches pathogènes et environnementales considérées comme non pathogènes. À la suite d’un transfert de connaissance et de méthode, ces marqueurs pourront être utilisés par les laboratoires de terrain en agro-alimentaire et les laboratoires d’analyses médicales pour aider à la prise de décision en cas de contamination à B. cereus. / Bacillus cereus is the second cause of foodborne outbreaks (FBO) in France since 2012. Several cases of local and systemic infections caused by B. cereus were also reported. By its ability to form biofilms and spores, B. cereus arises real problems in the food industry and public health by resisting to cleaning and disinfection procedures. It remains many questions about the toxicity differences observed among B. cereus strains, several are harmless to humans while others can cause death. But the food industry and hospitals need to know if a strain found in their environment is unsafe and requires intervention that can have an economic and human impact. Face to these challenges, my work was to collect and characterize 564 strains isolated from FBO and 56 strains isolated from patients following cases of non-gastrointestinal infections in order to compare them with environmental strains of B. cereus and identify what differentiates them to others.By a full analysis of epidemiological and clinical data of B. cereus strains and their molecular typing and characterization by a genetic model based on the detection of ten genes potentially involved in virulence, interest strains have been selected to deal with toxicity and transcriptomic in depth. This first part has also allowed increasing knowledge about FBO caused by B. cereus and also to highlight cross-contaminations occurred in several French hospitals leading to death.The in vitro toxicity studies performed on three eukaryotic cell models showed significant differences between toxicity levels of B. cereus strains that have caused infections and those no linked to infections. The differential trancriptomic study has allowed identifying a list of markers that could be used, after validation, for differentiating pathogenic strains from those considering as non-pathogenic. Following the transfer of knowledge and methods, these markers could be used by food safety laboratories and medical laboratories to be a decision aid in case of B. cereus contamination.

Bacillus cereus (Bc) et Bacillus thuringiensis (Bt) sont deux espèces génétiquement proches. Bc est une bactérie pathogène que peuvent causer des gastro-entérites d’origine aliméntaire. Bt est une bactérie entomopathogène, dont le cycle de vie dans la larve d’insecte est contrôlé par des systèmes de quorum sensing, comme le système Rap/Phr, que régule processus tels que la sporulation, la formation de biofilm et la conjugaison. La présence des ces genès a été identifiée dans les plasmides, et ces eleménts ont été associés à l’adaptation des spécies dans sont niche ecologique. Le but de cette étude est de comprendre le rôle des plasmides dans ces bactéries. Pour la première étude l’insecte larvae, le niche privilegie de Bt, ont été infectées par souches de Bc et Bt, avec un contenu plasmidique diffèrent. Le fitness a été evallué par le comptage de cellules végétatives et spores dans quatre temps. Les souches de Bt et Bc ont été classées dans cinq groups par rapport à sont fitness. Dans ces groups le plasmide a affecté le fitness de la bactérie positive ou négativement. Les résultats ont démontré que les souches du group du B. cereus que reçoivent a pathogène plasmid ne est pas suffisant pour une augmentation effectif de la population bactérienne, i.e., coloniser l’hôte. La deuxième étude a permis caractériser le système rap/phr porté par le plasmide cryptique pHT8_1. Les résultats démontrent que la protéine Rap8 inhibe la sporulation dans la l’insecte. L’activité de cette protéine est inhibée par le peptide de signalisation Phr8. Le système Rap/Phr8_1 a permis les bactéries exercer un strict contrôle sur la sporulation, un processus important pour assurer la survie et la dissémination des bactéries. L’ensemble des résultats de la deuxième étude montrent que les plasmides peuvent fournir avantages pour l’adaptation et evolution de B. thuringiensis dans son niche ecologique, alors que les résultats de la première étude indiqués que les souches de Bc group doivent avoir un contenu génétique approprié pour exhiber un fitness élévé en permettant une optimal multiplication and dissemination de populations bactérienne dans l’insect larvae. / Bacillus cereus (Bc) and Bacillus thuringiensis (Bt) are two closely related species. Bc is a pathogenic species responsible for gastroenteritis by food-borne. Bt is an entomopathogenic bacterium, which the lifecycle in insect larvae is controlled by quorum sensing systems, such as Rap/Phr, which regulates processes such as sporulation, biofilm formation and conjugation. The presence of these genes in plasmids has been described, furthermore, plasmids have been involved in bacterial adaptation to their ecological niche. In order to understand the role of the plasmids to these species, two complementary works were carried out. First, insect larvae, a privileged ecological niche of Bt strains, were infected with Bc and Bt strains harboring different plasmid contents. Their fitness were evaluated by vegetative cells and spore counts at four time points. Bt and Bc strains were classified into five groups according to the bacterial fitness. In these groups, the plasmid affects positively or negatively the bacterial fitness. The results demonstrated that for B. cereus group strains, getting a pathogenicity plasmid is not enough to effectively increase bacterial population, colonizing insect hosts. The second study characterized the rap/phr system encoded by the cryptic plasmid pHT8_1. The Rap8 protein inhibited the sporulation process in insect larvae. This protein was directly inhibited by the active signaling peptide Phr8. The Rap8/Phr8 system may allow the bacteria to exert a tight control of the sporulation process in the host cadaver for optimizing the multiplication, the survival and the dissemination of the bacteria. Thus, the results of the second study showed that the plasmids can provide advantages for the adaptation and the evolution of B. thuringiensis in its ecological niche, while the results of the first study indicate that B. cereus group strains must have a suitable genetic background to display a high fitness allowing optimal multiplication and dissemination of the bacterial population within insect larvae.

Le groupe Bacillus cereus est composé de huit espèces de bactéries à Gram positif sporulantes qui peuvent coloniser plusieurs niches écologiques. Les espèces les plus importantes sont B. cereus, une bactérie ubiquitaire du sol et un pathogène opportuniste; B. thuringiensis, un entomopathogène très utilisé comme biopesticide; et B. anthracis l’agent de la maladie du charbon. Bien que ces espèces présentent différents phénotypes, elles sont étroitement liées génétiquement et leurs facteurs de virulences principaux sont portés par des plasmides. Le cycle infectieux de B. thuringiensis dans la larve d’insecte est régulé par l’activation séquentielle de systèmes de quorum sensing de la famille RNPP. Parmi eux, les systèmes Rap-Phr, caractérisés chez B. subtilis, ont très peu été étudiés dans le groupe B. cereus. Ces systèmes régulent divers processus bactériens importants dont la sporulation. L’objectif de cette étude est d’analyser les systèmes Rap-Phr dans le groupe B. cereus, pour connaitre leur distribution, leur localisation et leur diversité afin d’obtenir une vue globale de ces systèmes chez ces bactéries. De plus, leur possible implication dans la régulation du processus de sporulation a été prédite sur la base de données structurales décrites chez RapH de B. subtilis. Les gènes rap, toujours associés à un gène phr, sont présents dans toutes les souches étudiées avec une moyenne de six gènes rap-phr par souche et avec 30% de ces systèmes qui sont portés par des plasmides. Les souches de B. thuringiensis portent six fois plus de systèmes Rap-Phr plasmidiques que les souches de B. cereus. Par ailleurs, les souches phylogénétiquement proches possèdent un profil de gènes rap-phr similaire. Un tiers des protéines Rap sont prédites pour inhiber la sporulation et ces protéines sont préférentiellement localisées sur les plasmides et donc plus fréquemment présentes chez B. thuringiensis que chez B. cereus. Cette prédiction a été partiellement validée par des tests de sporulation suggérant que les résidus impliqués dans cette activité chez B. subtilis sont conservés mais insuffisants pour prédire cette fonction. Le système Rap63-Phr63 porté par le plasmide pAW63 de la souche B. thuringiensis HD73 a ensuite été caractérisé. La protéine Rap63 a un effet modéré sur la sporulation et retarde l’expression des gènes régulés par Spo0A. La Rap63 est inhibée par son peptide Phr63, dont la forme mature correspond à l’extrémité C-terminale du pro-peptide. Les résultats de sporulation dans l’insecte suggèrent une activité synergique des systèmes Rap63-Phr63 et Rap8-Phr8 (porté par le pHT8_1) dans la régulation de la sporulation. Malgré la similarité entre les Phr63 et Phr8 aucun cross-talk n’a pu être mis en évidence, ce qui confirme la spécificité de ces systèmes de communication cellulaire. L’ensemble de ces résultats démontre la grande diversité des systèmes Rap-Phr dans le groupe B. cereus et souligne l’impact des systèmes plasmidiques dans le développement de ces bactéries. Par conséquent, les plasmides sont des éléments importants pour l’adaptation et la survie de ces bactéries et particulièrement pour B. thuringiensis. / The Bacillus cereus group of Gram positive spore forming bacteria is comprised by eight species that are able to colonize several ecological niches. The most important species are B. cereus, a ubiquitous soil bacterium and an opportunistic pathogen; B. thuringiensis, an entomopathogen widely used as biopesticide; and B. anthracis, the causative agent of anthrax. Even if they present different phenotypes, they are genetic closely related and their main virulence factors are encoded on plasmids. The infectious cycle of B. thuringiensis in the insect larvae is regulated by the sequential activation of quorum sensing systems from the RNPP family. Among them, the Rap-Phr was extensively studied in B. subtilis but just punctually in B. cereus group species. The Rap-Phr systems were shown to regulate various bacterial processes, including the sporulation. The objective of this study was to analyze the Rap-Phr systems in the B. cereus group, regarding their distribution, location and diversity to achieve an overview of these systems in these bacteria. Moreover, their possible involvement in the control of the sporulation process was predicted based on structural data described for RapH in B. subtilis. The rap genes, always associated with a phr gene, were present in all 49 studied strains with an average of six rap-phr genes per strain and 30% were located on plasmids. Comparison among B. cereus and B. thuringiensis strains revealed that the last one harbors six-fold more plasmid rap-phr system then the former. Moreover, phylogenetic closer strains possess a similar profile of rap-phr genes. Interestingly, 32% of the Rap proteins were predicted to inhibit sporulation and these proteins were preferentially located on plasmids and therefore in B. thuringiensis strains. This prediction was partially validated by sporulation efficiency assays suggesting that residues identified in B. subtilis as involved in the phosphatase activity are conserved but not sufficient to predict the sporulation function. Then, the plasmid-borne Rap63-Phr63 system from pAW63 plasmid of B. thuringiensis HD73 strain was further studied. The Rap63 protein moderately inhibits the sporulation and delays the expression of Spo0A-regulated genes. Rap63 is counteracted by its cognate Phr63 peptide, which mature form corresponds to the C-terminal end of the pro-peptide. Sporulation assays in insect larvae suggest a synergistic activity of Rap63-Phr63 and Rap8-Phr8 (from pHT8_1 of B. thuringiensis HD73 strain) systems on sporulation efficiency. Despite the similarities of Phr63 and Phr8 no cross-talk was found between these two systems, confirming their specificity. Altogether, these results reveal the high diversity of the Rap-Phr systems in the B. cereus group and highlight the relevance of the plasmid-borne systems to cell development. Therefore, the results demonstrated the importance of the plasmids in the adaptation and the survival of these bacteria, especially for B. thuringiensis.

L’apport de fer est essentiel pour la plupart des organismes vivants, incluant la majorité des bactéries pathogènes. Cependant, le fer libre est toxique : il est lié à des protéines de stockage et de transport (e.g. ferritine, hémoprotéines…) et voit son homéostasie finement régulée. Afin d’extraire le fer de ces protéines, les bactéries utilisent divers systèmes tels que des protéines de surface ou encore des sidérophores. Bacillus cereus est une bactérie Gram-positive sporulante, pathogène opportuniste chez l’homme, 2ème cause en France de toxi-infection alimentaire collective. Chez B. cereus, la protéine de surface IlsA et le sidérophore bacillibactine (BB) sont impliqués dans l’acquisition du fer de la ferritine exogène et elles sont importantes pour l’infection de l’insecte modèle Galleria mellonella. Mes travaux présentaient deux parties : tout d’abord, l’étude de l’import du complexe BB-Fe3+ dans la cellule par FeuA, protéine de liaison de ce complexe à la surface de la bactérie, souligne le rôle central du couple BB-FeuA. La délétion des gènes codants pour ces deux molécules limite l’acquisition par B. cereus du fer de la ferritine, de l’hème, de l’hémoglobine et du fer inorganique in vitro. En revanche, elle présente un phénotype de virulence in vivo comparable à la souche de référence dans le cas d’injection intra-hémocœlique de larves de G. mellonella. Ce résultat surprenant suggère un probable rétrocontrôle sur l’expression de facteurs de virulence lorsque B. cereus ne produit ni BB ni FeuA, et se trouve par conséquent fortement carencé en fer. Le second volet de mes travaux s’intéresse à l’expression des gènes liés à l’homéostasie du fer in vivo, au cours de l’infection de l’intestin de larves de G. mellonella axéniques. Nous avons choisi une approche de type microgénomique, en prélevant les échantillons par microdissection laser, sur de façon à prélever de petits échantillons dans une zone définie, puis en analysant l’expression de quelques gènes ciblés par RT-qPCR et ddPCR à 3h et 16h post ingestion. Nos résultats montrent que : i) la colonisation intestinale de G. mellonella est impactée lorsque B. cereus est dépourvu du couple BB-FeuA ; ii) ilsA est exprimé lors de l’infection intestinale ; iii) les gènes ciblés impliqués dans l’homéostasie du fer sont activés dès le début de l’infection, suggérant un rôle dans l’adaptation et la pathogénicité ; iv) une faible modulation de l’expression est observée entre les deux temps. Ces travaux ouvrent de nouvelles connaissances fondamentales sur l’homéostasie du fer et des perspectives quant à l’utilisation de nouvelles techniques pour l’étude in situ des interactions hôte-pathogène. / Iron acquisition is essential for most living organisms, including many pathogenic bacteria. However, free iron is toxic: it is bound into storage or transport proteins (e.g. ferritin, hemoproteins…) and iron homeostasis is tightly regulated. To scavenge iron from these sources, bacteria possess several systems to acquire the bound iron, by surface proteins or siderophores. Bacillus cereus is a sporeforming Gram-positive bacterium, opportunistic human pathogen, 2nd cause of food-borne disease in France. It has been demonstrated that the B. cereus surface protein IlsA and the siderophore bacillibactin (BB) are involved in iron acquisition from ferritin and that these two molecules are important for infection of the insect model G. mellonella. My thesis project focused on two parts: first the study of the BB-Fe3+ complex import into the cell by the siderophore binding protein FeuA highlights the central role of both BB and FeuA. The deletion of the genes encoding for these two molecules limits iron acquisition by B. cereus from ferritin, heme, hemoglobin and inorganic iron in vitro. On the other hand, the virulence phenotype during intra-haemocelic infection of G. mellonella is similar to the Wild-type strain. These results suggest a possible feedback on the expression of virulence factor genes when B. cereus is unable to synthetize both BB and FeuA, and therefore are under high stress. The second part of my work focused on the expression of genes involved in iron homeostasis in vivo, during gut infection of germ-free larvae of G. mellonella. We chose to perform a microgenomic approach, using laser-capture microdissection to get small samples in targeted areas, and then analysing the expression of chosen genes by RT-qPCR and ddPCR at two time points post ingestion The results show that : i) the colonisation of G. mellonella gut is impacted when B. cereus is deprived of both BB and FeuA ; ii) ilsA is expressed during gut infection ; iii) iron homeostasis is involved in adaptation and pathogenicity from the early step of infection of the insect gut ; iv) only weak gene expression modulation occured between the two timepoints This work gives new fundamental knowledge about B. cereus iron homeostasis, and highlights the use of new techniques regarding the in situ study of host-pathogen interactions.