Diversity and functional analysis of Rap-Phr systems from Bacillus cereus group | Diversité et analyse fonctionnelle des systèmes Rap-Phr du groupe Bacillus cereus

English. 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.

French. 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.