Modulation de l’expression génique chez la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii en réponse aux conditions de stress rencontrées au cours l’infection et rôle de la structuration du chromosome bactérien

Chromatin structure and regulation of gene expression in response to stress conditions encountered during infection by Dickeya dadantii

• Auteur / Autrice : Xuejiao Jiang
• Direction : William Nasser, Sylvie Reverchon-Pescheux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 07/09/2015
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie, adaptation et pathogénie (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Denis Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Nasser, Sylvie Reverchon-Pescheux, Denis Faure, Carlos Blanco, Stephan Lacour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Blanco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Virulence (microbiologie)

Bactéries phytopathogènes

Mots clés libres

Biosciences

Microbiologie

Bactérie phytopathogène

Dickeya dadantii

Virulence

Profil de transcription

Superenrouelement de l'ADN

Biociences

Microbiology

Phytopathogenic bacteria

Dickeya dadantii

Virulence

Transcription profile

DNA supercoiling

Résumé

Les bactéries pathogènes coordonnent de manière très stricte l’expression de leurs facteurs de virulence en fonction de leur état métabolique, des conditions externes et de l’état de l’hôte. La topologie du chromosome bactérien est également modulée par les conditions environnementales et l’état métabolique des cellules. Le surenroulement de l’ADN, est considéré désormais comme un élément clé de la régulation de l’expression génique. L’objectif de cette thèse est d’identifier les acteurs essentiels de la réponse aux conditions rencontrées durant l’infection chez la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii, responsable de la pourriture molle d’une large gamme d’hôtes. Les symptômes de pourriture molle sont principalement associés à la synthèse d'enzymes extracellulaires, en particulier les pectinases qui vont dégrader la paroi des cellules végétales. Cependant une colonisation efficace de la plante requiert de nombreux facteurs additionnels. L’analyse du transcriptome de D. dadantii dans 32 conditions de culture proches de celles rencontrées lors du cycle infectieux a révélé qu’en moyenne 63% des gènes sont exprimés dans chacune des conditions testées alors que 82% des gènes sont exprimés dans au moins une des conditions analysées. Deux facteurs modifient profondément l’expression génique: la phase de croissance et la nature des stress appliqués. L’analyse des gènes différentiellement exprimés a permis d’établir des signatures transcriptionnelles et fonctionnelles spécifiques de chaque stress et d’identifier de nouveaux régulateurs potentiellement impliqués dans la survie aux stress. L’adaptation au stress acide étant peu connue chez les pathogènes de plante, la régulation de quelques gènes spécifiquement induits en stress acide a été approfondie. Ces études ont révélé que le régulateur OmpR est un élèment clé de la réponse au stress acide chez Dickeya. Afin d’établir un lien entre réponse aux stress et impact de la topologie de l’ADN et des NAPs, les profils transcriptionnels obtenus lors des stress ont été comparés à ceux obtenus dans des conditions de relaxation artificielle de l’ADN et chez des mutants fis ou hns. La distribution chromosomique des GDE a révélé des profils cohérents de gènes activés ou réprimés lors des variations de conditions environnementales quelque soit le milieu de culture utilisé et l’existence de patchs d’expression qui illustre l’organisation en domaines du chromosome bactérien.L’expression des gènes au sein des domaines est dépendante de leur propriété thermodynamique, de leur préférence vis à vis du surenroulement, et de leur réponse aux NAPs. Ainsi, Dickeya tire partie des variations topologiques de l’ADN au cours de l’infection pour coordonner son programme de virulence. Ces résultats illustrent la complexité des processus utilisés par D. dadantii pour s’adapter aux conditions de l’infection et coloniser ses hôtes.

Pathogenic bacteria strictly coordinate the expression of their virulence factors according to their metabolic states, external conditions and the host environment. The topology of the bacterial chromosome is also modulated by environmental conditions and the metabolic state of the cells. The DNA supercoiling is now considered as a key factor in the regulation of gene expression. The objective of this thesis is to provide a comprehensive picture of the Dickeya infection process by integrated analyses of gene expression patterns obtained under various stress conditions encountered by this pathogen in the course of infection. Dickeya dadantii is a plant pathogenic bacterium that causes soft-rot disease in a wide range of plant species. Soft rot symptoms are mainly associated with the synthesis of extracellular enzymes, particularly pectinases which degrade the plant cell wall. However, an effective colonization of the plant requires a number of additional factors. The transcriptome analysis of D. dadantii, grown in a suite of thirty-two different growth conditions similar to those conditions encountered during the infection cycle revealed that an average of 63% of genes was expressed in each individual condition, while 82% of genes are expressed in at least one of the analyzed conditions. Two factors profoundly alter gene expression: the growth phase and the nature of applied stress. Analysis of differentially expressed genes in this work has established specific transcriptional and functional signatures of each stress and proposed new regulators potentially involved in survival under stress conditions. In this way, we obtained the apparent « temporal map » of the bacterial responses to sequential stress conditions encountered during the infection. The chromosomal distribution of DEG revealed coherent patches of genes activated or repressed during changes in environmental conditions and highlighted a rational organization of the DEG in the chromosomal space. Gene expression within the chromosomal domains is dependent on primary sequence organisation, DNA thermodynamic stability, supercoil dynamics, and binding effects of two abundant nucleoid associated proteins, FIS and H-NS. Therefore, Dickeya takes advantage of DNA topological variations during the infection to coordinate its virulence program. These results illustrate the complexity of mechanisms used by D. dadantii to adapt to stress conditions and colonize its hosts.