Etude fonctionnelle des effecteurs de la réaction de recombinaison homologue intervenant au cours de la transformation génétique du pathogène Streptococcus pneumoniae

Functional study of the homologous recombination pathway effectors acting during genetic transformation of streptococcus pneumoniae pathogen

• Auteur / Autrice : Léa Marie
• Direction : Patrice Polard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 21/10/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recombinaison génétique

Pneumocoque

Mots clés libres

Recombinaison homologue

Transformation génétique

Streptococcus pneumoniae

RadA

RecA

Résumé

La recombinaison homologue (RH) est une réaction universelle qui assure la maintenance des génomes. Elle participe aussi à leur variabilité. De fait, dans les trois domaines du vivant elle est au centre de nombreux processus biologiques tels que la réparation des dommages à l'ADN ou encore le brassage génétique au cours de la méiose. Chez les bactéries, la RH est également impliquée dans les processus de transferts horizontaux qui favorisent les échanges génétiques entre les espèces. La transformation génétique est l'un de ces processus largement répandus parmi les bactéries. Celle-ci a spécifiquement lieu lorsque les cellules entrent dans un état physiologique particulier nommé la compétence. Comparativement aux autres types de transferts horizontaux, la transformation génétique à la caractéristique d'être entièrement contrôlée par la cellule receveuse qui dirige l'intégration d'ADN exogène capturé dans son milieu extérieur. Le but de ma thèse a été d'améliorer notre compréhension moléculaire de la voie de RH spécifique de la transformation génétique de Streptococcus pneumoniae qui permettrait à ce pathogène non seulement d'échapper aux vaccins mais également d'acquérir de nouvelles résistances aux antibiotiques. Bien qu'elle présente des variations d'un organisme à l'autre, la RH peut fondamentalement être décomposée en trois phases successives catalysées par la recombinase RecA chez les bactéries. La phase présynaptique consiste en la polymérisation de la recombinase sur l'ADN simple brin (sb) générant un nucléofilament. L'étape synaptique comprend l'appariement du nucléofilament avec celui des deux brins de la séquence homologue qui lui est complémentaire. Elle aboutit à l'apparition d'une D-loop, intermédiaire de recombinaison résultant de la jonction entre les deux molécules ADN engagées. Enfin, la phase postsynaptique constitue l'étape finale durant laquelle les jonctions entre les molécules ADN sont maturées puis clivées de manière à maintenir l'intégrité double brin du génome. L'action optimale de la recombinase au cours de ces trois étapes nécessite l'assistance de partenaires protéiques spécifiques au processus au sein duquel la réaction de RH intervient. Dans le cadre de la transformation génétique, la RMP (recombination mediator protein) DprA et la protéine de liaison à l'ADNsb SsbB sont deux partenaires de RecA spécifiquement produits par les cellules en état de compétence. Nous avons révélé in vitro que leurs actions conjuguées permettent d'améliorer l'efficacité de la RH catalysée par RecA en facilitant l'étape présynaptique de la réaction. De plus, nous avons montré que contrairement à SsbB, la protéine SsbA constitutive et essentielle ne stimule pas la RH spécifique de la transformation génétique de S. pneumoniae. Ce résultat suggère que les deux paralogues n'interviennent pas au cours des mêmes processus biologiques. La protéine RadA, ubiquitaire et très conservée parmi les bactéries, est un autre partenaire de RecA constitutivement produit par les cellules mais spécifiquement induit lors de la transformation génétique de S. pneumoniae. Par une combinaison d'approches in vivo, in vitro et structurale, nous avons mis en évidence d'une part, l'appartenance de RadA à la famille SF4 d'hélicases de type DnaB, et d'autre part son rôle clef dans la phase postsynaptique de la RH. Ce travail a permis de proposer un modèle inédit du mécanisme de migration de branches permettant la maturation des intermédiaires de recombinaison. Via son interaction avec RecA, nous proposons que RadA accède aux deux brins de l'ADN receveur de part et d'autre de la D-loop. Ainsi chargé symétriquement, RadA transloquerait de manière divergente le long des deux ADNsb dans le sens 5'-3' permettant ainsi l'ouverture du duplex receveur. L'incorporation de l'ADNsb envahissant serait ainsi facilitée par l'action de RadA tant au cours de la transformation génétique que des processus de maintenance faisant intervenir la RH

Homologous recombination (HR) is a central biological process in living organisms across all three domains of life. Crucial both for genomic maintenance and genetic plasticity, HR acts either to repair harmful DNA breaks or to produce new DNA combinations on chromosomes. In bacteria, HR is also used to exchange genetic material between different strains or species through horizontal gene transfers processes. Genetic transformation is one of those processes, widely distributed among species. Genetic transformation, occurring during a distinct physiological state called competence, is entirely directed by the recipient cell which uses exogenous DNA as a source of transferred genetic material. The goal of my PhD was to provide a molecular understanding of the specific HR pathway operating during the genetic transformation process of Streptococcus pneumoniae which enables this human pathogen to escape vaccine by capsular serotype switching as well as to acquire new antibiotics resistance genes. Although HR mechanisms vary among different organisms and cell types, the same three basic steps are conserved. During the pre-synaptic phase, the highly conserved recombinase named RecA in bacteria polymerises along ssDNA. The synaptic step proceeds through invasion of this nucleofilament into complementary duplex DNA, promoting the formation of joint molecules called D-loops. Finally, the post-synaptic phase corresponds to the maturation and clivage of thoses branched structures to preserve genomic integrity. To complete this strand exchange reaction, RecA requires the assistance of several specific partners depending on the context of the HR event. During genetic transformation, the recombination mediator protein DprA and the ssDNA binding protein SsbB are such partners specifically produced in the competence state. We have shown in vitro that their interplay with RecA improves HR efficiency by facilitating the pre-synaptic step of the reaction. Moreover, we have shown that, contrary to SsbB, the essential SsbA protein does not stimulate this specific HR reaction, suggesting that the two paralogous proteins could be implicated in different processes. The ubiquitous bacterial RadA in an other RecA partner constitutively produced by the cells and specifically induced during genetic transformation of S. pneumoniae. Using a combination of in vivo, in vitro and structural approaches, we have shown that RadA is a DnaB-like helicase implicated in the post-synaptic phase of HR. This structural and functional analysis of RadA leads to an unprecedented model of DNA branch migration acting to maturate D-loops structures. Through its interaction with RecA, RadA gains access to both strands of the recipient duplex DNA on both sides of the D-loop. Once symmetricaly loaded RadA could translocate divergently thereby unwinding the complementary duplex DNA thus facilitating the incorporation of ssDNA during genetic transformation as well as in genomic maintenance processes.