Metabolic imprint induces histone hypermethylation during Chlamydia trachomatis infection
L’empreinte métabolique induit une hyperméthylation des histones durant l’infection par Chlamydia trachomatis
Résumé
Chlamydia trachomatis is an obligate intracellular bacterium that proliferates exclusively in human hosts. Its genome has undergone intensive gene reduction and is missing many genes coding for essential metabolic pathways. As a consequence, the bacteria rely on their host cell to obtain several nutrients. Bacterial sequestration of metabolites shifts host cell metabolism which may impact many cellular processes. In this thesis, we sought to understand if a metabolic imbalance could account for epigenetic modifications in the host, and to understand its consequences. During late C. trachomatis infection, we observed increased histone methylation at multiple histone lysine residues, despite the antagonistic nature of some of these modifications. Importantly, the level of hypermethylation was cell-dependent and all the histone marks tested were expressed at similar level for every individual cell, indicating co-regulation. We hypothesized that a decrease in the activity of histone demethylases, the enzymes responsible for removing methyl groups from the N-terminal tails of histones, might account for this hypermethylation phenotype. A large family of demethylases, the Jumonji domain - containing (JmjC) demethylases, require oxygen, iron and α-ketoglutarate as co-factors to carry out their function, all metabolites that are used by C. trachomatis. In support of our hypothesis, we observed that infected cells were sensitized to inhibition of this family of histone demethylases, compared to non-infected cells. Our experiments suggest that iron availability is not limiting during infection. In contrast, supplying cell permeable dimethyl-ketoglutarate (DMKG) in the culture medium prevented hypermethylation of histones during late infection. This result indicates that histone hypermethylation is a consequence of a metabolic imbalance, likely caused by α-ketoglutarate consumption, or its precursors, during infection. At the transcriptional level, we observed that DMKG supplementation affected about one third of the genes that are differentially expressed late in infection. DMKG supplementation resulted in gene up-regulation and in gene down-regulation in similar proportion, indicating that histone hypermethylation can have opposite consequences on gene expression, that need to be analyzed at the individual gene level. Finally, histone hypermethylation correlated with the presence of indicators of DNA damage in the nuclei of infected cells. DMKG supplementation prevented DNA damage, confirming a link between these two phenotypes. To conclude, we demonstrated that C. trachomatis infection generates a metabolic imbalance in the host, causing histone hypermethylation late in infection. This metabolic imprint of infection at the epigenetic level has an impact on the host transcriptomic response to infection and on the integrity of its DNA.
Chlamydia trachomatis est une bactérie intracellulaire obligatoire adaptée exclusivement à l’Homme. Son génome, très réduit, a perdu plusieurs gènes codant pour des voies métaboliques essentielles. En conséquence, les bactéries dépendent de l’hôte pour obtenir plusieurs nutriments. La séquestration de métabolites par les bactéries crée des déséquilibres, avec des conséquences potentielles sur plusieurs processus cellulaires de l’hôte. Dans cette thèse nous avons entrepris de déterminer si un déséquilibre métabolique pourrait être à l’origine de modifications de l’épigénome de l’hôte, et de comprendre ses conséquences. Nous avons observé que l’infection s’accompagne, tardivement, d’une augmentation de marques de méthylation sur plusieurs lysines, et ce en dépit du caractère antagoniste de certaines de ces marques. Le niveau de méthylation dépend des cellules, et pour une cellule donnée, toutes les marques testées sont exprimées à des niveaux similaires, indiquant un phénomène de co-régulation. Nous avons émis l’hypothèse qu’il puisse découler de l’inhibition d’enzymes à activité déméthylase. La grande famille des déméthylases d’histones contenant un domaine Jumonji (déméthylases JmjC) utilisent l’oxygène, le fer et l’α-ketoglutarate, métabolites qui sont tous utilisés par C. trachomatis. L’observation que les cellules infectées sont sensibilisées à un inhibiteur de cette famille d’enzymes soutient l’hypothèse d’un fonctionnement réduit de ces enzymes dans les cellules infectées. Nos expériences indiquent que la disponibilité en fer n’est pas limitante durant l’infection. En revanche, l’apport de dimethyl-ketoglutarate (DMKG), un substitut d'α-ketoglutarate, permet d’abolir l’hyperméthylation des histones. Ce résultat indique que ce phénotype est le résultat d’un déséquilibre métabolique, probablement causé par la consommation bactérienne d’α-ketoglutarate ou de ses précurseurs durant l’infection. L’apport en DMKG modifie le niveau de transcription d’environ un tiers des gènes qui montrent une expression différentielle tard dans l’infection. Les conséquences sont à la fois négatives et positives, et ce dans des proportions similaires, indiquant que l’hyperméthylation des histones peut avoir des conséquences opposées sur l’expression des gènes, qui doit être analysée au niveau individuel. Enfin, nous avons observé que l’hyperméthylation des histones corrélait avec la présences d’indicateurs de cassures de l’ADN dans les noyaux des cellules infectées. L’apport en DMKG résulte en une perte de ces cassures, confirmant le lien entre ces deux phénotypes. En conclusion, nous avons démontré que l’infection par C. trachomatis crée un déséquilibre métabolique chez l’hôte, à l’origine d’hyperméthylation des histones. Cette empreinte métabolique de l’infection au niveau épigénétique a des conséquences sur la réponse génétique de l’hôte à l’infection et sur l’intégrité de son ADN.
Origine : Version validée par le jury (STAR)