Faculté des sciences

Ecological immunity of "Anopheles gambiae" mosquitoes

Barreaux, Antoine ; Koella, Jacob (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2016.

Malaria is a vector borne disease caused by protozoan parasites and transmitted to humans by mosquitoes. It is one of the most deadly infectious diseases in the world, with more than one million deaths each year. Malaria is even more worrying in the context of climate change, as global warming is predicted to increase the transmission to humans and to influence vector-parasite interactions. To... More

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    Résumé
    Le paludisme est une maladie infectieuse causée par des parasites protozoaires et transmise à l'homme par la piqûre de moustiques infectés. Avec plus d'un million de morts chaque année, c'est l'une des maladies infectieuses les plus mortelles au niveau mondial. Le changement climatique rend l'impact de cette maladie d'autant plus préoccupant. En effet, le réchauffement global risque d'augmenter la transmission du paludisme et de modifier les interactions entre le vecteur et le parasite. L'éco-immunologie des moustiques est un moyen de répondre à ces inquiétudes, car elle prend en compte les facteurs intrinsèques au moustique et les facteurs environnementaux qui peuvent influencer sa compétence vectorielle. En effet, cette approche d'écologie évolutive a pour but d'étudier les corrélations entre l'immunité du moustique et les autres traits d'histoire de vie essentiels à la détermination de la fitness du moustique - durée de vie, succès reproductif, taille. Pour améliorer notre compréhension de l'éco-immunologie des moustiques, nous avons décidé d'étudier la variabilité de la réponse immunitaire et l'influence des facteurs environnementaux sur la transmission du paludisme par Anopheles gambiae en laboratoire.
    Tout d'abord, nous avons étudié la variabilité de la résistance du moustique face aux parasites du paludisme, certains devenant infectés malgré la présence d'un système immunitaire fonctionnel. Nous nous sommes concentrés sur deux réponses immunitaires majeures: l'encapsulation des parasites avec de la mélanine et la production de peptides antimicrobiens qui vont tuer les parasites. La mélanisation et la réponse antimicrobienne sont coûteuses pour le moustique avec pour conséquence la réduction de la durée de vie. Nous avons également observé des corrélations génétiques négatives entre les coûts des deux réponses immunitaires et entre le coût et l'efficacité de la mélanisation. En outre, la mélanisation est une réponse qui peut être rapidement surchargée par l'augmentation de la stimulation immunitaire. L'immunité du moustique est donc conditionnée à des coûts, des limites physiologiques et un ensemble complexe de corrélations entre réponses immunitaires et coûts, qui vont déterminer son évolution et pourrait limiter la résistance au paludisme.
    Les facteurs environnementaux peuvent eux aussi influer sur la capacité vectorielle d'A.gambiae, et ce directement, en modifiant les traits d'histoires de vie des adultes, tels que la longévité ou la fécondité. Ces facteurs ont aussi un effet indirect par leur influence sur développement larvaire avec des conséquences pour l'adulte. L'interaction entre le régime alimentaire des larves et la température peut modifier la probabilité qu'un moustique infecté par le parasite du paludisme survive jusqu'à avoir des sporozoites (le stade infectieux du parasite pour l'homme) dans ses glandes salivaires. La malnutrition conduit à la diminution de la survie du parasite et du moustique. La température quant à elle, a seulement un effet sur la survie du parasite et ce selon le régime alimentaire des larves. Les basses températures favorisent la transmission du parasite mais ce seulement avec un régime alimentaire standard. La relation entre la taille du moustique et sa longévité dépend elle aussi de l'environnement des larves. La relation est inexistante à 25°C, négative quand les facteurs environnementaux ont des effets opposés sur la taille de l'adulte, et positive quand ils ont des effets synergiques sur la taille. L'écologie des larves influence la compétence vectorielle de l'adulte et sa fitness et donc par conséquent la transmission du paludisme.
    L'étude de l'éco-immunologie du moustique nous amène à développer une vision plus complexe de l'évolution de l'immunité. De plus, les facteurs environnementaux vont aussi influencer la résistance du moustique face au paludisme et la transmission de cette maladie à l'homme. Ces résultats confirment la nécessité de continuer à améliorer notre compréhension des interactions entre le vecteur et le parasite pour développer des programmes de lutte vectorielle plus performants.
    Summary
    Malaria is a vector borne disease caused by protozoan parasites and transmitted to humans by mosquitoes. It is one of the most deadly infectious diseases in the world, with more than one million deaths each year. Malaria is even more worrying in the context of climate change, as global warming is predicted to increase the transmission to humans and to influence vector-parasite interactions. To answer these concerns, a better understanding of the ecological immunity of mosquitoes is needed, as it takes into account the intrinsic and environmental factors that may affect the mosquito vector competence. This evolutionary ecology approach relies on the correlations between the immune responses and other life history traits key to the fitness of the mosquito - eg. longevity, reproductive success, size. To improve our knowledge of the ecological immunity of mosquitoes, we decided to study the variability in immune responses and the influence of environmental factors on malaria transmission by Anopheles gambiae mosquitoes in the laboratory.
    We first investigated the variability in the resistance to malaria parasites, as some mosquitoes become infectious and transmit the parasite, despite an efficient immune system. We focused on two major immune effectors the encapsulation of parasites with melanin and their lysis by antimicrobial peptides. Both the melanisation response and the antimicrobial response were physiologically costly in A. gambiae, with a reduction of the lifespan after an immune challenge. Besides, we found also negative genetic correlations between the costs of the two immune responses and between the cost and the efficacy of the melanisation response. In addition, the melanisation response could be overloaded by an increasing immune challenge, with an unequal repartition of the melanisation effort. Mosquito immunity is made of costs, physiological limits and complex interactions between benefits and costs that will determine the evolution of immunity and the resistance to malaria parasites.
    Environmental factors also may influence the vector competence of mosquitoes, as there is a direct effect on adult traits - eg. longevity, reproductive success. There is also an indirect effect because of the influence on the larval development with consequences on adult traits. The interaction between the larval diet and the temperature may influence the probability that mosquitoes infected with the malaria parasite survived up to harbour sporozoites (the infectious stage of the parasite) in their salivary glands. Undernourishment leads to a lower parasite and mosquito survival. Temperature on the other hand, had just an effect on parasite survival in interaction with the larval diet, as a low temperature was in favour of malaria transmission with a standard diet. The association between mosquito size and longevity was also dependent on environmental factors during larval development. The relationship was null at 25°c, it was negative when the environmental factors had opposed effects on size, and positive when they had synergic effects. The larval ecology influences the vector competence and as a consequence malaria transmission.
    The ecological immunity of mosquitoes may lead to a more complex vision of the evolution of immunity. Besides, environmental factors will also influence the resistance of mosquitoes to malaria parasites and malaria transmission. These results confirm the importance of improving further our understanding of host-parasite interactions for efficient vector control programs.