Impact du nombre de copies d'opéron ribosomiques dans la stabilité du génome chez Escherichia coli

Impact of ribosomal operon copy number on genome stability in Escherichia coli

• Auteur / Autrice : Sébastien Fleurier
• Direction : Ivan Matic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 16/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cochin (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Martin-Verstraete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Martin-Verstraete, Zeynep Baharoglu, Pablo Radicella, Ciarán Condon, Eduardo Pimentel Cachapuz Rocha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zeynep Baharoglu, Pablo Radicella

Mots clés

Mots clés contrôlés

ARN ribosomiques

ADN -- Réplication

Escherichia coli

Mots clés libres

Opérons d'ARN ribosomiques (ARNr)

Multiplicité

Escherichia coli

Conflit réplication-transcription

R-Loops

Stabilité génomique

Ribosomal RNA operons (rRNA)

Multiplicity

Escherichia coli

Replication-transcription conflict

R-Loops

Genomic stability

Résumé

Le nombre total d'opérons d'ARN ribosomique (ARNr) par génomes bactériens est supérieur aux exigences permettant d'obtenir des taux de croissance maximaux. Nous supposons qu'un tel excès d'opérons d'ARNr par génome est nécessaire pour faire face à certaines perturbations environnementales. En effet, chez Escherichia coli (E. coli), la diminution du nombre d'opérons d'ARNr par génome entraîne une augmentation du temps nécessaire pour le redémarrage de la croissance à la sortie de la phase stationnaire. Cette diminution du nombre d'ARNr a également pour effet d'augmenter le temps de redémarrage suite à des stress nutritionnels. L'hypothèse qui a été émise et que le temps nécessaire permettant d'atteindre une capacité de traduction maximale dans les cellules ayant un nombre décroissant d'ARNr était augmenté. Pour tester cette hypothèse, nous avons étudié chez E. coli l'impact du nombre variable d'opérons d'ARNr dans le génome sur la croissance, le taux de mortalité, la réplication de l'ADN et la stabilité du génome. Nous avons montré que la durée de la phase de latence des souches ayant un nombre réduit d'opérons d'ARNr était principalement due à des taux de mortalité très élevés et non à une augmentation du temps requis pour obtenir une capacité de traduction maximum. Au cours de la phase de latence, les cellules avec un nombre diminué d'opérons d'ARNr ont initié la réplication de l'ADN de manière identique aux cellules ayant tous leurs opérons d'ARNr. Cependant, dans les cellules avec un nombre diminué d'opérons d'ARNr, nous avons observé : une perturbation de l'élongation de la réplication de l'ADN, une augmentation de la quantité de cassures des brins d'ADN, une production de ROS, l'induction de la réponse SOS, et une augmentation de la mutagenèse. Enfin, nous avons de déterminé que la survie de ces cellules nécessitait un mécanisme de recombinaison homologue. Nous avons montré que la cause principale des effets délétères observés lors de la réduction du nombre d'opérons d'ARNr est provoquée par le blocage de la machinerie de réplication de l'ADN par des R-loops sur les loci des opérons d'ARNr restants. De plus, après utilisation de traitements détruisant les ribosomes, nous avons montré que dans une souche possédant toutes les copies d'opérons d'ARNr, que la durée de la phase de redémarrage post stress est également affectée par des conflits de réplication-transcription et la présence de R-loops. Notre étude montre que la multiplicité des opérons d'ARNr est nécessaire pour faire face à des perturbations environnementales nécessitant une augmentation rapide de la capacité de traduction. Ce nombre d'opérons d'ARNr garantit que les opérons d'ARNr ne sont pas saturés individuellement par les ARN polymérases. Cette multiplicité du nombre d'opérons d'ARNr peut être considéré comme le gardien de la stabilité génomique.

The full number of ribosomal RNA (rRNA) operons per bacterial genomes exceeds requirements for the maximal growth rates. Instead, it is believed that such excess is necessary for coping with environmental perturbations. Indeed, decreasing rRNA operons multiplicity per Escherichia coli genome results in increasing time required for growth restart upon exit from stationary phase, as well as after nutritional upshifts and stresses. This was attributed to a longer time required to reach full translational capacity for cells with decreasing number of rRNA operons. To test this hypothesis, we examined an impact of the different number of rRNA operons per E. coli genome on growth. We showed that the apparent long lag phase upon exit from stationary phase of strains having reduced number of rRNA operons was primarily due to very high mortality rates and not due to time required for the synthesis of enough of the cellular components necessary for growth. During lag growth phase, cells with reduced number of rRNA operons initiated DNA replication like cells having full number of rRNA operons. However, they had severely affected DNA replication elongation, increased quantity of DNA strand breaks, ROS production, SOS induction, mutagenesis, and their survival required homologous recombination machinery. We showed that the primary cause of these deleterious consequences of the reduction of rRNA operon copy number was blockage of the DNA replication machinery by R-loops at the sites of the over-transcribed remaining rRNA operons. We showed that the length of recovery phase after ribosome-destroying treatments is also affected by transcription-translation conflicts and R-loops even in cells having full number of rRNA operons. Taken together our study shows that full number of rRNA copies is necessary for coping with a variety of environmental perturbations primarily because it assures that individual rRNA operons are not saturated by RNAP, which can be considered as the genome stability insurance.