Strains of the Bacillus cereus (Bc) group are sporulating bacteria commonly associated with foodborne outbreaks. Spores are dormant cells highly resistant to extreme conditions. Nevertheless, the pathological processes associated with the ingestion of either vegetative cells or spores remain poorly understood. Here, we demonstrate that while ingestion of vegetative bacteria leads to their rapid elimination from the intestine of Drosophila melanogaster, a single ingestion of spores leads to the persistence of bacteria for at least 10 days. We show that spores do not germinate in the anterior part of the intestine which bears the innate immune defenses. Consequently, spores reach the posterior intestine where they germinate and activate both the Imd and Toll immune pathways. Unexpectedly, this leads to the induction of amidases, which are negative regulators of the immune response, but not to antimicrobial peptides. Thereby, the local germination of spores in the posterior intestine dampens the immune signaling that in turn fosters the persistence of Bc bacteria. This study provides evidence for how Bc spores hijack the intestinal immune defenses allowing the localized birth of vegetative bacteria responsible for the digestive symptoms associated with foodborne illness outbreaks.

Bacillus cereus (Bc) is a wide group of Gram-positive and spore-forming bacteria, known to be the etiological agents of various human infections, primarily food poisoning. The Bc group includes enteropathogenic strains able to germinate in the digestive tract and to produce enterotoxins such as Nhe, Hbl, and CytK. One species of the group, Bacillus thuringiensis (Bt), has the unique feature of producing insecticidal crystals during sporulation, making it an important alternative to chemical pesticides to protect crops from insect pest larvae. Nevertheless, several studies have suggested a link between the ingestion of pesticide strains and human cases of food poisoning, calling their safety into question. Consequently, reliable tools for virulence assessment are worth developing to aid decision making in pesticide regulation. Here, we propose complementary approaches based on two biological models, the human intestinal Caco-2 cell line and the insect Drosophila melanogaster, to assess and rank the enteric virulence potency of Bt strains in comparison with other Bc group members. Using a dataset of 48 Bacillus spp. strains, we showed that some Bc group strains, including Bt, were able to induce cytotoxicity in Caco-2 cells with concomitant release of IL-8 cytokine, a landmark of pro-inflammatory response. In the D. melanogaster model, we were able to sort a panel of 39 strains into four different classes of virulence, ranging from no virulence to strong virulence. Importantly, for the most virulent strains, mortality was associated with a loss of intestinal barrier integrity. Interestingly, although strains can share a common toxinotype, they display different degrees of virulence, suggesting the existence of specific mechanisms of virulence expression in vivo in the intestine.

Le groupe Bacillus cereus (B. cereus) regroupe des bactéries Gram positives issues de l’environnement. Ces bactéries sont capables de sporuler quand les conditions sont défavorables. Les membres de ce groupe peuvent être impliqués dans des intoxications alimentaires représentant ainsi la troisième cause d'intoxication alimentaire en Europe et la deuxième en France. L’espèce B. thuringiensis (Bt) appartient au groupe B. cereus et se caractérise par la production de cristaux parasporaux contenant des toxines Cry insecticides avec une forte spécificité d’action. Ainsi, les spores et les cristaux de Bt sont utilisés comme bioinsecticides pour lutter spécifiquement contre les larves de lépidoptères ravageurs. Les produits à base de Bt représentent plus de 50 % de marché mondiale des biopesticides. Une fois les spores et les cristaux ingérés par un organisme cible (les larves de lépidoptères), les toxines Cry contenues dans le cristal sont libérées et détruisent l'épithélium intestinal. Ensuite, le passage et la germination des spores dans l'hémolymphe entraînent une mort rapide du ravageur par septicémie. L’utilisation accrue de ces bioinsecticides Bt pose la problématique des risques potentiels engendrés sur les organismes non ciblés.En utilisant le modèle Drosophila melanogaster (un organisme non-cible de Bt), il avait été précédemment montré que les formes végétatives de Bt sont rapidement éliminées de l'intestin. Cette élimination est corrélée avec l'activation de la réponse immunitaire innée locale. Cependant, des études disparates suggéraient que les spores de Bt pouvaient persister dans les intestins des mammifères. Afin d’étudier le comportement de ces spores dans l'intestin des organismes non ciblés et l’implication de la réponse immunitaire innée, j’ai utilisé deux modèles de laboratoire : Drosophila melanogaster et la souris. En premier lieu, j'ai pu montrer qu’après une ingestion ponctuelle, les spores persistent jusqu'à 10 jours dans l'intestin moyen des drosophiles et au moins 5 jours dans l’intestin grêle des souris. Ce résultat m’a conduit à étudier le devenir de ces spores dans l’intestin. Pour cela, j'ai utilisé un outil généré au laboratoire où les spores fluorescent en rouge qui une fois germées en cellules végétatives acquièrent une fluorescence verte. En utilisant ces spores marquées, j'ai montré que ces dernières s'accumulent et germent préférentiellement dans les parties postérieures de l’intestin moyen de drosophile et de l’intestin grêle de souris. J’ai ensuite confirmé ces résultats qualitatifs par une approche quantitative en dénombrant spores et bactéries végétatives dans les différentes régions de l’intestin. Ainsi, toutes mes données suggèrent que la réponse immunitaire innée au niveau de la région postérieure de l’intestin moyen/grêle est inefficace pour éliminer rapidement les spores et les bactéries germées.Ensuite, je me suis donc focalisée sur la réponse immunitaire innée locale. Dans l'intestin moyen de la drosophile, cette réponse est localisée principalement dans les régions antérieures et se manifeste par une production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) et de peptides antimicrobiens (AMP). Mes résultats montrent que contrairement aux cellules végétatives, les spores n’induisent pas la production de ROS et d’AMP par l’épithélium intestinale. Etonnamment, j’ai même observé que la production d’AMP est réprimée. J’ai ensuite démontré que l’ingestion de spores induit l’expression de gènes codant pour des régulateurs négatifs (PGRP-SC1, -SC2 et -LB) de la réponse immunitaire innées dans la région postérieure de l’intestin moyen. Enfin, en utilisant des combinaisons de mutants des deux voies de signalisation immunitaires, Imd et Toll, j’ai pu caractériser pour la première fois leur coexistence dans l'intestin moyen de la drosophile et leur contribution de manière additive ou synergique aux infections par des spores du groupe B. cereus.