Le degré de spécialisation d'hôte des parasites peut considérablement modifier la nature des interactions interspécifiques. Lorsque les parasites sont également vecteurs, leur capacité d'adaptation et leur réponse aux changements dans la communauté d'hôtes aura des conséquences importantes sur la dynamique de leurs populations, mais aussi sur les microparasites qu'ils transmettent. Une première étape pour mieux appréhender l'importance de ce phénomène sur l'écologie et l'évolution des systèmes vectoriels est d'étudier la divergence génétique associée à l'hôte. Nous avons utilisé cette approche dans le système hôte-vecteur-pathogène impliquant la tique européenne Ixodes ricinus, ses différents hôtes vertébrés et les bactéries responsables de la maladie de Lyme (Borrelia burgdorferi sl). Ce travail a notamment consisté à tester si les communautés les plus anciennes montraient des divergences associées à l'hôte plus importantes que celles récemment colonisées. Nous avons combiné des échantillonnages de terrain sur un transect européen (comprenant la distribution historique d'I. ricinus et des zones nouvellement colonisées) et, des analyses moléculaires basés sur 14 marqueurs microsatellites (dont 9 nouvellement développés). Comme un obstacle majeur pour aborder la question de la spécificité d'hôte dans le système I. ricinus, ainsi que chez d'autres vecteurs, est de déterminer l'utilisation des hôtes, nous avons également testé expérimentalement les biais rencontrés lors de la détection moléculaire de l'hôte. Nos résultats révèlent un schéma complexe de l'adaptation des tiques à travers l'Europe ; la spécialisation d'hôte peut évoluer, mais l'âge de la communauté ne semble pas être un facteur décisif. Plus généralement, les résultats de cette thèse soulignent que l'écologie des vecteurs en eux-mêmes (et pas seulement les interactions hôtes-pathogènes) doit être considérée avec attention si on veut améliorer notre compréhension de ces systèmes. / The degree of host specialization in parasites can greatly modify the nature of interspecific interactions. When parasites are also vectors, their ability to adapt to new hosts and their response to changes in the host community will have important consequences for both their population dynamics and evolution, but may also cascade down to the microparasites they transmit. A first step to better apprehend the importance of this phenomenon for the evolution and ecology of vector-borne disease systems is to study patterns of host-associated genetic divergence across diverse vector populations. We used this approach in the host-vector-pathogen system involving the European tick Ixodes ricinus, its various vertebrate hosts and the bacteria responsible for Lyme disease Borrelia burgdorferi sl. We predicted that longer established interactions would show stronger patterns of host-associated divergence than more recently established ones. We tested this prediction by combining field samples from a European-wide transect (including both historical and newly colonized zones) and molecular analyses based on 14 microsatellite markers (9 newly developed). As a major obstacle for tackling the question of host associations in the I. ricinus system is determining local host use, we also experimentally tested for biases in molecular host detection. Our results reveal a complex pattern of tick adaptation across the European landscape; host specialization does evolve, but not in a predictable way in relation to the evolutionary age of the interaction. More generally, the results of this thesis highlight that vector ecology (and not just host-pathogen interactions) require careful consideration, if we are to improve our understanding of these systems.

Ixodes ricinus est l’espèce de tique la plus abondante et ayant la plus vaste répartition géographique en Europe. Elle est le vecteur de nombreux agents pathogènes d’importance en santé publique et vétérinaire. Le remplacement des acaricides générant pollution environnementale et apparition croissante de résistances requiert le développement urgent de nouvelles stratégies de lutte efficaces contre les tiques et les agents pathogènes qu’elles transmettent. La découverte de telles stratégies passe nécessairement par une meilleure connaissance des interactions entre les tiques, leurs hôtes et les agents pathogènes transmis. La salive de tique, à l’interface de ces interactions, est un fluide essentiel pour ces arthropodes et possède notamment des propriétés protéolytiques, anticoagulantes, immunomodulatrices, analgésique, et anti-inflammatoires qui permettent à la tique de réaliser ses repas sanguins extrêmement longs. Afin de comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la transmission des agents pathogènes et pour identifier de possibles candidats vaccinaux contre I. ricinus, une étude transcriptomique comparative entre des glandes salivaires infectées et non infectées par la bactérie Bartonella henselae a été antérieurement réalisée. Le transcrit le plus surexprimé suite à cette infection était IrSPI, un inhibiteur de sérine protéase de la famille des Kunitz. Les analyses fonctionnelles par ARN interférence ont montré l’implication de ce gène dans le gorgement et de l’infection des glandes salivaires par B. henselae. Ainsi, les travaux de thèse présentés ici ont concerné l’analyse structurelle, biochimique et fonctionnelle de IrSPI en tant que molécule impliquée dans les interactions tick-hôte-pathogène. Le premier objectif était de définir la structure et la séquence du gène IrSPI mais, malheureusement, bien que nos résultats aient permit des avancés sur cette question, nous n'avons pu obtenir la totalité de sa séquence. Dans un second temps, la dynamique d’expression d’IrSPI a été évaluée au cours du gorgement et de l’infection des tiques par différents agents pathogènes, montrant que son expression est induite par le repas sanguin, par des agents transmis par la tique mais pas par Escherichia coli, bactérie non transmise. De plus, nos résultats ont montré l’expression de IrSPI dans plusieurs organes de la tique, suggérant son implication dans diverses fonctions au sein de ce vecteur. Parmi elles, la mise en évidence d'une injection, par la salive, de la protéine à l'hôte vertébré nous a permis d'envisager un rôle sur les réponses de l'hôte à la piqûre de tique. Nos résultats n’ont montré aucune implication dans la voie extrinsèque de la coagulation ni dans la fibrinolyse, ni dans l’angiogenèse. En revanche, ils ont démontré que IrSPI inhibe la prolifération des lymphocytes TCD4+ sous stimulation monogénique quand chez des lymphocytes B non stimulés IRSPI, il induit une hausse de la prolifération. De plus IrSPI a montré une action négative significative sur la production de la majorité des cytokines et chimiokines pro-inflammatoires produites par les macrophages et les splénocytes. Ainsi, IrSPI, correspond à un des composants salivaires d’I. ricinus lui permettant de moduler la réponse immune de l’hôte pour lui permettre de prélever son repas sanguin tout en favorisant la transmission des agents pathogènes. Enfin, des résultats préliminaires dans l'identification des interactants de IrSPI à la fois chez la tique et l’hôte vertébré ouvre de nombreuses voies de recherche quant à la compréhension de ses fonctions. / Ixodes ricinus tick species, the most abundant and widespread tick in Europe, is an important vector of pathogens affecting both animal and human health. To replace the use of acaricides that generate environmental contamination and resistances, new environmentally sustainable approaches providing broad protection against ticks and tick-borne pathogens (TBP) are urgently needed. Such development requires improved understanding of the biology of ticks and more particularly of their interactions with vertebrate hosts and TBP. Tick saliva is an essential biofluid for ticks, as its proteolytic, anticoagulant, immunomodulatory, analgesic and anti-inflammatory activities allow ticks to acquire their blood meal under optimal conditions. Moreover, injection of saliva during blood feeding represents the principal route by which TBP are transmitted to the host. To understand the molecular mechanisms involved in TBP transmission, as well as to identify putative vaccine candidates against I. ricinus, salivary glands from bacteria infected and uninfected ticks were previously compared by high throughput transcriptomics. The most up-regulated transcript following infection was IrSPI, which belongs to the Kunitz/BPTI inhibitor family. Functional analyses via RNAi knockdown experiments revealed that IrSPI enhances both blood feeding and bacterial burden in the salivary glands. This present PhD work concerns then the structural, biochemical and functional characterization of IrSPI as a molecule involved in tick-host-pathogen interactions. Our aim was first to define the structure of IrSPI gene but, unfortunately, while our results have led to progress on this issue, we have not been able to get the full sequence. Then, the dynamic of IrSPI expression was evaluated during both tick feeding and colonization of ticks by pathogens, showing that its expression is induced by blood feeding and TBP but not by Escherichia coli that is not transmitted by I. ricinus. In addition, our results shown the expression of IrSPI in several tick organs, suggesting its implication in several functions in tick physiology. Among them, the discovery of the injection of IrSPI, through the saliva, to the vertebrate host allowed us to consider a role in host responses to tick bite. Evaluation of IrSPI effect on host showed no impact on coagulation through extrinsic pathway, as determined by analysis of thrombin generation time and by fibrinolysis, or in angiogenesis. However, it inhibited the proliferation of mitogen-stimulated CD4+ lymphocytes and increased unstimulated-B cell proliferation. In addition, IrSPI also modulated cytokine production from macrophages and splenocytes, repressing significantly most of proinflammatory cytokines and chemokines. Thus, we demonstrated that IrSPI plays a role in modulating the host immune response during blood feeding. Finally, preliminary results in the identification of the protein’s interactants open many research perspectives for understanding how IrSPI acts in tick physiology and counteracts host responses to tick injury and pathogen transmission.

Glycosylation in vertebrates has a main role in many important processes such as cell transport, protein folding, secretion of proteins etc. What function has glycosylation in arthropods, for example in ticks, is rarely studied. This work was focused on analysis of N-glycans in tick tissues, namely in Ixodes ricinus and Dermacentor marginatus. High-mannose glycans as well as complex glycans with or without core-fucosylation were identified in this study.Furthermore several sialylated glycans were present in the studied samples. Sialic acid is found in arthropods rarely and this is the first study which directly proves its presence in ticks using mass spectrometry.

The hard tick Ixodes ricinus is an important blood-feeding parasite that transmits tick- borne diseases, such as tick-borne encephalitis and Lyme disease. Ticks employ a battery of proteolytic enzymes, including cathepsins, to digest their bloodmeal. These proteins are potential targets for the development of anti-tick vaccines. This work is focused on cathepsin L from I. ricinus (IrCL), namely its isoenzymes IrCL1 and IrCL3. IrCL1 was expressed in Pichia pastoris and chromatographically purified. Its substrate specifity was determined by the cleavage of (a) peptide fluorogenic substrates and (b) protein substrates analyzed by mass spectrometry. The proteolytic activity of IrCL1 was modulated by its interaction with glycosaminoglycans, which affected the pH optimum value. Futhermore, a proteolytically active mutant of IrCL1 with reduced number of N-glycosylation sites was prepared; this form will be used for crystallization experiments. IrCL3 was expressed in Escherichia coli, refolded and activated to its active form. The proteolytic activity of IrCL3 is in many ascpects similar to that of IrCL1, including substrate specifity, acidic pH optimum and activity modulation by glycosaminoglycans. Key words: cysteine proteases, cathepsin L, hard tick I. ricinus, substrate specifity, proteolytic activity...

Les tiques sont des arthropodes ectoparasites obligatoires qui se nourrissent sur une grande variété de vertébrés sur une large partie du globe. Au cours de leur repas, les tiques sécrètent dans leur salive de nombreux facteurs leur permettant de contourner bon nombre des défenses de l’hôte. Bien que la littérature rapporte beaucoup d’informations au sujet des effets du repas de la tique sur l’hôte, la nature des facteurs actifs exprimés par les glandes salivaires de la tique est peu connue. Au cours d’anciens travaux au sein du laboratoire, le crible de deux banques d’ADN complémentaires - issues de la rétro-transcription des ARN messagers synthétisés par les glandes salivaires de la tique Ixodes ricinus – a permis l’identification de 27 protéines dont l'expression est spécifiquement induite ou régulée positivement pendant le repas sanguin de la tique I. ricinus. Parmi ces protéines, la protéine Seq24, induite au cours du repas sanguin, présente la capacité de moduler les immunités innée et acquise de l’hôte. En conséquence, la protéine Seq24 a été nommée Iris pour « Ixodes ricinus Immunosuppressor ». Au cours de la présente étude, notre but fût de caractériser le rôle d’Iris et de déterminer son importance dans le repas sanguin de la tique I. ricinus. La protéine Iris appartient à la famille des inhibiteurs de sérine protéases et présente une homologie significative avec l’inhibiteur d’élastase de leucocytes. Une analyse in silico a confirmé qu’Iris présentait la structure des serpines, et notamment le RCL (Reactive Center Loop), boucle responsable de l’activité anti-protéasique. Comme attendu (sur base de l’analyse in silico), Iris inhibe de manière spécifique l’activité de plusieurs sérine protéases, et en particulier l’élastase de leucocyte. Ces tests effectués, nous avons essayé de comprendre quel(s) pouvai(en)t être le(s) rôle(s) d’Iris dans l’accomplissement du repas sanguin de la tique, c’est à dire dans la lutte contre les différents systèmes de défenses de l’hôte. Tout d’abord, des tests ont démontré la capacité d’Iris à inhiber les mécanismes de l’hémostase. Des tests sur du plasma et du sang complet ont montré qu’Iris allonge le temps de fibrinolyse, la voie intrinsèque de la coagulation et l’adhésion plaquettaire. L’utilisation de mutants a également démontré que si les deux premières activités sont dépendantes du RCL, et donc d’un mode de fonctionnement anti-protéolytique, l’adhésion plaquettaire est indépendante de ce système. Ce résultat met en évidence l’existence d’autres sites actifs, isolés par analyse in silico, nommés Receptor Binding Domain (RBD). Un travail antérieur du laboratoire avait permis d’indiquer la capacité de la protéine recombinante Iris semi-purifiée à inhiber la production de TNF-a, d’IL-6, et d’IL-8 (cytokines pro-inflammatoires) ainsi que l’IFN-g par des PBMCs (Peripherical Blood Mononuclear Cells) humaines. Ces résultats ont été confirmés avec de la protéine purifiée. Des analyses complémentaires ont démontré qu’un mutant d’Iris - dépourvu d’activité anti-protéasique - conserve l’activité pro-inflammatoire. Là encore, ce mécanisme semble impliquer un ou plusieurs RBD. L’utilisation d’anticorps dirigés contre ces zones a permis de déterminer le domaine d’interaction (aa : 105-120) impliqué dans cette fonction. D’autre part, une analyse par FACS a permis de démontrer qu’Iris interagit uniquement avec les cellules d’origine monocytaire. Enfin, nous avons également analysé l’importance d’Iris au cours du repas sanguin de la tique par une approche vaccinale. Les résultats observés indiquent que 30 % des tiques nourries sur des lapins immunisés par la protéine rIris ne survivent pas au repas.

Lyme borreliosis (LB) is the most frequent vectorborne disease in the Northern Hemisphere. It is a complex bacterial zoonosis involving vertebrate hosts and hard ticks of the genus Ixodes. The causative agents, bacteria of the LB group of spirochaetes, form a species complex comprising 17 named species. As is the case for most microbial pathogens, epidemiological and ecological studies require appropriate genotyping. Although the use of single loci may provide rapid results, there are serious disadvantages, in particular when inferring evolutionary relationships or geographic population structure. A novel multilocus sequence analysis (MLSA) system of the LB group spirochaetes has been developed based on housekeeping genes to overcome these problems. Here, the system is optimized and tested using extracted spirochaetal DNA directly from ticks and then utilized to obtain insights into the migration and spread of individual species as well as to investigate the evolutionary origins of the species complex. Species belonging to the LB group of spirochetes display different patterns and levels of host specialisation which makes this an ideal system to study the impact of host associations on spread of zoonotic tickborne diseases. For example, Borrelia valaisiana and B. garinii are transmitted exclusively by birds while B. afzelii is transmitted by rodents. I demonstrate that the migration of the LB species is dependent on, and limited by, the migration of their respective hosts. I also show the presence of B. afzelii strains in England and, through the use of the MLSA scheme, demonstrate that the strains are highly structured. A close evolutionary relationship between B. afzelii and its rodent host species is shown. Furthermore, through phylogenetic analyses, some evidence of a coevolutionary relationship between the LB group species and their major group of vector species, the Ixodes persulcatus species complex, is presented and a Eurasian origin for the species group is suggested.

<p>This thesis examines seasonal, diel and vertical distribution patterns of activity of host-seeking <i>Ixodes ricinus</i> (L.) ticks at three localities in south-central Sweden. In addition, by examining the prevalence of infection in ticks with Lyme borreliosis (LB) spirochetes, <i>Borrelia burgdorferi</i> s.l, information for estimating relative LB risk in humans and the effect of control measures directed against this tick vector is provided.</p><p>The seasonal activity pattern of <i>I. ricinus</i> was, in general, bimodal with peaks of activity in May-June and August-September. Tick densities were generally high at Torö and low at Kungshamn-Morga. The greatest variation in tick density occurred at the sample site level, which indicated a patchy distribution of ticks. The diel activity of adult <i>I. ricinus</i> sampled at Bogesund showed a distinct nocturnal activity peak while nymphal ticks exhibited no particular diel variation. At the meadow site, there was a strong negative association between activity of each tick stage and ambient air temperature, and larval ticks also showed a nocturnal activity peak. <i>I. ricinus</i> of all stages were present in the vegetation up to at least 140 cm above ground level. At Torö, host-seeking larvae were found at significantly lower levels (below 20 cm) in the vegetation compared to nymphs and adults (50-59 and 60-79 cm, respectively). Vegetation structure is likely to be the main factor governing tick vertical distribution at this locality. The northern limit of the geographical distribution of <i>I. ricinus</i> in Sweden corresponds with the southern boundary of the taiga zone, as well as with several other climatic or vegetational isoclines primarily associated with the vegetation period.</p><p>The prevalence rates of <i>Borrelia</i> spirochetes, recorded by phase-contrast microscopy in host-seeking <i>I. ricinus</i>, were 0% in larvae, 5.8-13.1% in nymphs and 14.5-28.6% in adult ticks. The human LB risk, estimated by the number of <i>Borrelia</i>-infected nymphs per hectare, was greater at Torö than at Kungshamn-Morga and greater in woodland than in open areas. The risk also possessed a bimodal seasonal pattern similar to that of subadult host-seeking activity. Controlling the number of infected nymphs through de-ticking of reservoir hosts seems not to be an effective control measure in Sweden due to the ubiquitous availability of alternative reservoir hosts.</p>

This thesis examines seasonal, diel and vertical distribution patterns of activity of host-seeking Ixodes ricinus (L.) ticks at three localities in south-central Sweden. In addition, by examining the prevalence of infection in ticks with Lyme borreliosis (LB) spirochetes, Borrelia burgdorferi s.l, information for estimating relative LB risk in humans and the effect of control measures directed against this tick vector is provided. The seasonal activity pattern of I. ricinus was, in general, bimodal with peaks of activity in May-June and August-September. Tick densities were generally high at Torö and low at Kungshamn-Morga. The greatest variation in tick density occurred at the sample site level, which indicated a patchy distribution of ticks. The diel activity of adult I. ricinus sampled at Bogesund showed a distinct nocturnal activity peak while nymphal ticks exhibited no particular diel variation. At the meadow site, there was a strong negative association between activity of each tick stage and ambient air temperature, and larval ticks also showed a nocturnal activity peak. I. ricinus of all stages were present in the vegetation up to at least 140 cm above ground level. At Torö, host-seeking larvae were found at significantly lower levels (below 20 cm) in the vegetation compared to nymphs and adults (50-59 and 60-79 cm, respectively). Vegetation structure is likely to be the main factor governing tick vertical distribution at this locality. The northern limit of the geographical distribution of I. ricinus in Sweden corresponds with the southern boundary of the taiga zone, as well as with several other climatic or vegetational isoclines primarily associated with the vegetation period. The prevalence rates of Borrelia spirochetes, recorded by phase-contrast microscopy in host-seeking I. ricinus, were 0% in larvae, 5.8-13.1% in nymphs and 14.5-28.6% in adult ticks. The human LB risk, estimated by the number of Borrelia-infected nymphs per hectare, was greater at Torö than at Kungshamn-Morga and greater in woodland than in open areas. The risk also possessed a bimodal seasonal pattern similar to that of subadult host-seeking activity. Controlling the number of infected nymphs through de-ticking of reservoir hosts seems not to be an effective control measure in Sweden due to the ubiquitous availability of alternative reservoir hosts.

Medicinsk entomologi

Two murine models of acute inflammation, namely thioglycollate-induced peritonitis and carrageenan-induced paw edema, were optimized using non-steroidal anti-inflammatory drug indomethacin and corticosteroid dexamethasone. During the optimization phase, the presence of neutrophils, monocytes, macrophages, eosinophils, B cells and T cells in the peritoneal cavity at various time points after injection of thioglycollate medium was assessed via multicolor flow cytometry. Moreover, two different thioglycollate media (suppliers BD and Sigma-Aldrich) were compared for their ability to induce an inflammatory response. The optimization of thioglycollate-induced peritonitis and carrageenan-induced paw edema was followed by the evaluation of the anti-inflammatory activity of Ixodes ricinus cystatins G1 and G9 in both mouse models.