Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC. / Avian pathogenic Escherichia coli (APEC) strains are associated with respiratory infections and septicemia in poultry. The Pho regulon is jointly controlled by the two-component regulatory system PhoBR and by the phosphate-specific transport (Pst) system. To determine the involvement of the PhoBR regulon and the Pst system in the pathogenesis of the APEC O78 strain χ7122, different phoBR and pst mutant strains were tested for in vivo and in vitro virulence traits. Mutations resulting in constitutive activation of the Pho regulon rendered strains more sensitive than the wild-type to hydrogen peroxide and to the bactericidal effects of rabbit serum. In addition, production of type 1 fimbriae was also impaired in these strains. Using a chicken competitive infection model, all PhoB constitutive mutants were out-competed by the wild-type parent, including strains containing a functional Pst system. In addition, cumulative inactivation of the Pst system and the PhoB regulator resulted in a restoration of virulence. Loss of the PhoB regulator alone did not affect virulence in the chicken infection model. Interestingly, the level of attenuation of the mutant strains correlated directly with the level of activation of the Pho regulon. Overall, results indicate that activation of the Pho regulon rather than phosphate transport by the Pst system plays a major role in the attenuation of APEC.

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC. / Avian pathogenic Escherichia coli (APEC) strains are associated with respiratory infections and septicemia in poultry. The Pho regulon is jointly controlled by the two-component regulatory system PhoBR and by the phosphate-specific transport (Pst) system. To determine the involvement of the PhoBR regulon and the Pst system in the pathogenesis of the APEC O78 strain χ7122, different phoBR and pst mutant strains were tested for in vivo and in vitro virulence traits. Mutations resulting in constitutive activation of the Pho regulon rendered strains more sensitive than the wild-type to hydrogen peroxide and to the bactericidal effects of rabbit serum. In addition, production of type 1 fimbriae was also impaired in these strains. Using a chicken competitive infection model, all PhoB constitutive mutants were out-competed by the wild-type parent, including strains containing a functional Pst system. In addition, cumulative inactivation of the Pst system and the PhoB regulator resulted in a restoration of virulence. Loss of the PhoB regulator alone did not affect virulence in the chicken infection model. Interestingly, the level of attenuation of the mutant strains correlated directly with the level of activation of the Pho regulon. Overall, results indicate that activation of the Pho regulon rather than phosphate transport by the Pst system plays a major role in the attenuation of APEC.

Les phytases hydrolysent les phytates représentant la forme majeure de stockage du P dans les céréales. Ces phytates sont aussi des facteurs anti-nutritionnels qui chélatent les cations réduisant leur absorption. Dans le premier volet de cette thèse, une nouvelle souche bactérienne produisant une phytase extracellulaire a été isolée et identifiée comme Bacillus amyloliquefaciens US573. L’enzyme «PHY US573» a été purifiée et caractérisée en comparaison avec deux phytases commerciales Ronozyme PL et Natuphos. PHY US573 se distingue par sa forte thermostabilité en présence de calcium. En outre, PHY US573 se caractérise aussi par une tolérance remarquable aux sels comme le NaCl et LiCl. L’ensemble de ces propriétés montre que PHY US573 pourrait être une candidate intéressante pour des applications en alimentation animale ou en agriculture pour améliorer la biodisponibilité du P-phytique pour les plantes. Dans le deuxième volet, la souche Streptomyces sp. US42 produisant une activité phytase extracellulaire a été sélectionnée. L’enzyme «PHY US42» a été purifiée et caractérisée. PHY US42 est calcium dépendante également une grande stabilité en présence de sels biliaires et des protéases digestives. La modélisation moléculaire de PHY US42 indique qu'elle appartient au groupe des β-propeller phytases qui sont généralement calcium-dépendantes. Vu ses propriétés biochimiques intéressantes, PHY US42 constitue une bonne candidate comme additif dans les aliments pour animaux monogastriques en combinaison avec une histidine acide phytase. Enfin dans un troisième volet, nous nous sommes intéressés à l’étude de la régulation de l'expression du gène phytase de S. coelicolor M145 (sco7697) chez S. coelicolor M145, S. lividans TK24 ainsi que chez ses deux mutants ppk et phoP. Ainsi, en plus des boites pho localisées en amont de la région promotrice -35 siège de la régulation positive PhoP-dépendante, nous avons révélé pour la première fois que la RD localisée en aval de la région promotrice -10 est le siège d’une forte régulation négative par un répresseur inconnu. Ce dernier empêcherait l’activation PhoP-dépendante de l’expression du gène phytase. / Phytases hydrolyse phytate representing the major storage form of P in cereal. phytates are also anti-nutritional factors that chelate cations such as Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Z²⁺ reducing their absorption. The low bioavailability of phytic phosphorus in monogastric animals require their food supplementation with Pi to meet the needs of the animal in P. This creates an extra cost and increases the environmental pollution by the manure excretion highly charged phosphate. In the first part of this thesis, from soil samples taken near hot hydrothermal waters of the region Elhamma in southern Tunisian, a new bacterial strain producing extracellular phytase was isolated and identified as Bacillus amyloliquefaciens US573. The enzyme referred "PHY US573" was purified and characterized in comparison with two commercial acid histidine phytases Ronozyme PL and Natuphos. PHY US573 is calcium dependent and has an optimum activity at pH 7.5 (5 for Ronozyme and 5.5 for Natuphos) and 70°C (55°C for Ronozyme and Natuphos). PHY US573 is distinguished by its high thermostability, in fact, it keeps 93% of its activity after incubation for 10 min at 75°C in the presence of calcium while Ronozyme and Natuphos keep only 45% and 53% of their activity, respectively. This enzyme is specific for phytic acid and also has a very good stability at pH 3 to 9 and a perfect stability in presence of bile salts. In addition, PHY US573 is also characterized by a remarkable salt tolerance because it retains 80 to 95% of its activity in the presence of 20 g/l of NaCl and LiCl, respectively. All these properties shows that PHY US573 could be an interesting candidate for applications in feed industry alone or in combination with an histidine acid phytase. In a second part of this thesis, from the Streptomyces collection of LMB-CBS, a strain producing extracellular phytase activity was selected and identified as Streptomyces sp. US42. The enzyme "PHY US42" was purified and characterized. PHY US42 has a calcium-dependent activity (such as Bacillus phytases), optimally active at pH 7 and 65°C. PHY US42 is perfectly stable at pHs ranging from 5 to 10 and its thermal stability is greatly increased in the presence of calcium. Indeed, PHY US42 maintains 80% of its activity after 10 min of incubation at 75 °C in the presence of calcium. PHY US42 has also a high stability in the presence of bile salts and digestive proteases. Molecular modeling of PHY US42 indicates that it belongs to the β-propeller phytase group which are usually calcium-dependent. Given its interesting biochemical properties, PHY US42 which would operate mainly in the intestine, is a good candidate for use as an additive in agastriques fish food or in combination with an histidine acid phytase in feed industry. Finally in a third part, we are interested in studying the regulation of the expression of the phytase gene of S. coelicolor M145 (sco7697) in S.coelicolor M145, S.lividans TK24 and among its two mutants ppk and phoP. To do this, we merged the wild promoter regions (phyWT) or mutated (phym1, phym2, phym1+2) of sco7697 gene with the GUS reporter gene encoding ß-glucuronidase activity. Thus as expected, we demonstrated that the deletion of the PHO box located upstream of the -35 reduces the level of induction of sco7697 in conditions of Pi limitation. Moreover, we have revealed for the first time that the alteration of RD located downstream of -10 correlates with a dramatic increase of GUS expression when PhoP is present. Our results demonstrate that this RD is the seat of a strong negative regulation by an unknown repressor. This would prevent the PhoP-dependent activation of expression of the phytase gene.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

In the yeast Saccharomyces cerevisiae, the IME4 methyltransferase, interacts genetically with methyl binding protein, Pho92, to affect the expression of PHO regulon target genes. Cells mutant in IME4 or PHO92 show increases in the RNA abundance of PHO regulon target genes. The increase in the RNA abundance of the PHO regulon target genes is not additive in the cells double mutant in IME4 and PHO92. Hence, Ime4 and Pho92 interact in a single pathway in PHO regulon. Surprisingly, cells overexpressing IME4 and MUM2 shows increase in some PHO regulon target genes, indicating that IME4 affects the PHO regulon target genes through multiple mechanisms in different conditions. A promoter swap experiment revealed that one of the PHO regulon mRNAs that codes for phosphatase, PHO5, is a direct target of Ime4. Further experiments are required to examine whether the same is true for all PHO regulon mRNAs.

Regulation of gene expression is essential for many biological processes. Binding of transcription factors to DNA is a key regulatory step in the control of gene expression. It is commonly observed that DNA sequences with high affinity for transcription factors occur more frequently in the genome than the instances of genes bound or regulated by these factors. However, the mechanism by which transcription factors selectively identify and regulate these genes was unclear. I utilized the transcriptional control of the phosphate-responsive signaling pathway (PHO) in Saccharomyces cerevisiae as a model system to address this problem.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine). / EHEC O157:H7 are an emerging zoonotic food- and water-borne hazard highly pathogenic to humans and associated with diseases ranging from acute gastroenteritis to hemolytic uremic syndrome. From their commensal carriage by farm animals to human targets, EHEC pass through a crucial step of persistence in the open environment. Microbial endosymbiosis is one strategy used by pathogenic bacteria to survive in aquatic environments. Amoebae species are free-living protozoa found in diverse environmental habitats and known to host several water-borne pathogens. Thus amoebae could contribute to transmission of EHEC to humans. The first part of my PhD project was focused on interaction of the free-living amoebae Acanthamoeba castellanii with EHEC. The results showed that the presence of amoeba extends the persistence of EHEC that survived phagocytosis by amoebae. This demonstrates the real potential of amoebae to harbourd EHEC that may contribute to their transmission. However, absence of shiga toxins enhanced the intra-amoeba survival. Moreover, EHEC had a toxic and lethal effect on amoebae partially due to shiga toxins. The involvement of shiga toxins in the intracellular survival and mortality of amoebae suggests the value of using amoebae as a model of host/pathogen interactions to study the pathogenicity of EHEC. During their transmission cycle, EHEC encounter limitation inorganic phosphate (Pi) in the environment. Using jointly the PhoB-R two-component system (TCS) and the Pst (Pi specific transport) system, EHEC detect and respond to this Pi limitation by activating the Pho regulon. The interplay between the EHEC virulence, the Pho-Pst and/or the environmental Pi remains unknown. The second part of my project explored the role of Pho regulon (responding to Pi-limitation stress) in the virulence of EHEC. Transcriptomic analysis showed that EHEC has evolved a sophisticated response to Pi deficiency involving not only biochemical strategies that are likely critical to its survival, but also coordinating its virulence response. In these conditions, the regulator PhoB regulates directly the expression of LEE and Stx2 genes. This is confirmed by an increase in EspB secretion and Stx2 production and secretion in low Pi conditions. Moreover, the activation of Pho regulon increases biofilm formation and reduces motility in EHEC. This correlated with the induction of genes regulating curli production and repression of indole production pathway and the flagellum and PGA biosynthesis.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

This thesis presents the development of integrated silicon photonic devices. These devices are compatible with the present and near future CMOS technology. High-khorizontal grating couplers and waveguides are proposed. This work consists of simulations and device design, as well as the layout for the fabrication process, device fabrication, process development, characterization instrument development and electro-optical characterizations. The work demonstrates an alternative solution to costly silicon-on-insulator photonics. The proposed solution uses bulk silicon wafers and thin film deposited waveguides. Back-end deposited horizontal slot grating couplers and waveguides are realized by multi-layers of amorphous silicon and high-k materials. The achievements of this work include: A theoretical study of fully etched slot grating couplers with Al2O3, HfO2 and AIN, an optical study of the high-k films with spectroscopic ellipsometry, an experimental demonstration of fully etched SiO2 single slot grating couplers and double slot Al2O3 grating couplers, a practical demonstration of horizontal double slot high-k waveguides, partially etched Al2O3 single slot grating couplers, a study of a scheme for integration of the double slot Al2O3  waveguides with selectively grown germanium PIN photodetectors, realization of test chips for the integrated germanium photodetectors, and study of integration with graphene photodetectors through embedding the graphene into a high-k slot layer. From an application point of view, these high-k slot waveguides add more functionality to the current silicon photonics. The presented devices can be used for low cost photonics applications. Also alternative optical materials can be used in the context of this photonics platform. With the robust design, the grating couplers result in improved yield and a more cost effective solution is realized for integration of the waveguides with the germanium and graphene photodetectors. / <p>QC 20141114</p>