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The Recent Evolution of a Maternally-Inherited Endosymbiont of Ticks Led to the Emergence of the Q Fever Pathogen, Coxiella burnetii

Authors :
Duron, Olivier
Noël, Valérie
Mccoy, Karen D.
Bonazzi, Matteo
Sidi-Boumedine, Karim
Morel, Olivier
Vavre, Fabrice
Zenner, Lionel
Jourdain, Elsa
Durand, Patrick
Arnathau, Céline
Renaud, François
Trape, Jean-François
Biguezoton, Abel S.
Cremaschi, Julie
Dietrich, Muriel
Léger, Elsa
Appelgren, Anaïs
Dupraz, Marlène
Gómez-Díaz, Elena
Diatta, Georges
Dayo, Guiguigbaza-Kossigan
Adakal, Hassane
Zoungrana, Sébastien
Vial, Laurence
Chevillon, Christine
Sagot, Marie-France
Evolution of host-microbe communities (MIVEGEC-EVCO)
Processus Écologiques et Évolutifs au sein des Communautés (PEEC)
Génétique et évolution des maladies infectieuses (GEMI)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Génétique et évolution des maladies infectieuses (GEMI)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])
Evolution Théorique et Expérimentale (MIVEGEC-ETE)
Perturbations, Evolution, Virulence (PEV)
Institut de Recherche en Infectiologie de Montpellier (IRIM)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
National Reference Laboratory on Q Fever
Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (ANSES)
Génétique et évolution des interactions hôtes-parasites
Département génétique, interactions et évolution des génomes [LBBE] (GINSENG)
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
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Equipe de recherche européenne en algorithmique et biologie formelle et expérimentale (ERABLE)
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Unité de Recherche d'Épidémiologie Animale (UR EpiA)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Health, Emergence, Adaptation and Transmission (MIVEGEC-HEAT)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])
Géosciences Paris Sud (GEOPS)
Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Unité de Recherche sur les Maladies Infectieuses et Tropicales Emergentes (URMITE)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-IFR48
Institut des sciences biologiques (INSB-CNRS)-Institut des sciences biologiques (INSB-CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Veterinary Services Department of the Ministry of Food and Agriculture (PATTEC)
Centre international de recherche-développement sur l'élevage en zone sub-humide (CIRDES)
Unité de Recherche sur les Bases Biologiques de la lutte intégrée (URBIO)
Département des Sciences et Techniques de l’Elevage (DSTE/FASE)
Université Dan Dicko Dan Koulodo
Contrôle des maladies animales exotiques et émergentes (UMR CMAEE)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Maladies infectieuses et vecteurs : écologie, génétique, évolution et contrôle (MIVEGEC)
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Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)
INSB-INSB-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre International de Recherche Développement sur l'Elevage en Zone Subhumide (CIRDES)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)
Unité de recherche d'Épidémiologie Animale (UEA)
Modélisation mathématique et numérique (M2N)
Conservatoire National des Arts et Métiers [CNAM] (CNAM)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Source :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, 2015, 11 (5), ⟨10.1371/journal.ppat.1004892⟩, PLoS Pathogens, Vol 11, Iss 5, p e1004892 (2015), PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2015, 11 (5), ⟨10.1371/journal.ppat.1004892⟩
Publication Year :
2015
Publisher :
HAL CCSD, 2015.

Abstract

Q fever is a highly infectious disease with a worldwide distribution. Its causative agent, the intracellular bacterium Coxiella burnetii, infects a variety of vertebrate species, including humans. Its evolutionary origin remains almost entirely unknown and uncertainty persists regarding the identity and lifestyle of its ancestors. A few tick species were recently found to harbor maternally-inherited Coxiella-like organisms engaged in symbiotic interactions, but their relationships to the Q fever pathogen remain unclear. Here, we extensively sampled ticks, identifying new and atypical Coxiella strains from 40 of 58 examined species, and used this data to infer the evolutionary processes leading to the emergence of C. burnetii. Phylogenetic analyses of multi-locus typing and whole-genome sequencing data revealed that Coxiella-like organisms represent an ancient and monophyletic group allied to ticks. Remarkably, all known C. burnetii strains originate within this group and are the descendants of a Coxiella-like progenitor hosted by ticks. Using both colony-reared and field-collected gravid females, we further establish the presence of highly efficient maternal transmission of these Coxiella-like organisms in four examined tick species, a pattern coherent with an endosymbiotic lifestyle. Our laboratory culture assays also showed that these Coxiella-like organisms were not amenable to culture in the vertebrate cell environment, suggesting different metabolic requirements compared to C. burnetii. Altogether, this corpus of data demonstrates that C. burnetii recently evolved from an inherited symbiont of ticks which succeeded in infecting vertebrate cells, likely by the acquisition of novel virulence factors.<br />Author Summary How virulent infectious diseases emerge from non-pathogenic organisms is a challenging question. Here, we address this evolutionary issue in the case of Q fever. Its causative agent, the intracellular bacterium Coxiella burnetii, is extremely infectious to humans and a variety of animals. However, uncertainty persists regarding its evolutionary origin, including the identity and lifestyle of its ancestors. In this article, we show that C. burnetii arose from a rare evolutionary transformation of a maternally-inherited endosymbiont of ticks into a specialized and virulent pathogen of vertebrates. While arthropod symbionts are typically transmitted maternally and thought not to be infectious to vertebrates, we establish here that one Coxiella symbiont has evolved the necessary adaptations to exploit the vertebrate cell, leading to the emergence of Q fever.

Details

Language :
English
ISSN :
15537366 and 15537374
Database :
OpenAIRE
Journal :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, 2015, 11 (5), ⟨10.1371/journal.ppat.1004892⟩, PLoS Pathogens, Vol 11, Iss 5, p e1004892 (2015), PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2015, 11 (5), ⟨10.1371/journal.ppat.1004892⟩
Accession number :
edsair.pmid.dedup....c289446b819de218a2cd41a307de531a
Full Text :
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004892