Etude fondamentale et appliquée du système de régulation de la compétence de Legionella pneumophila

Fundamental and applied study of the Legionella pneumophila competence regulation system

• Auteur / Autrice : Kévin Picq
• Direction : Laetitia Attaiech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie moléculaire
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre International de Recherche en Infectiologie (Lyon ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Doublet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Galinier, Ákos Kovács, Jan-Willem Veening
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Galinier, Ákos Kovács, Jan-Willem Veening

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines

Transfert génétique

Legionella pneumophila

Génétique

Bactéries

Mots clés libres

Microbiologie

Arn

Chaperone

Compétence

Transformation naturelle

Microbiology

Rna

Chaperone

Competence

Natural transformation

Résumé

La transformation naturelle est un mécanisme de transfert horizontal de gène permettant aux bactéries de capturer, internaliser, et intégrer de l’ADN exogène à leur chromosome par un processus de recombinaison homologue. Malgré les potentiels bénéfices à être transformable, constamment intégrer des séquences d’ADN aléatoire peut aussi être délétère. Ainsi, la transformation naturelle est un mécanisme hautement régulé, qui n’est possible que lorsque les bactéries entrent dans un état physiologique particulier appelé compétence. La forte conservation des protéines impliquées dans la transformation a conduit à la formulation de trois hypothèses pour expliquer la raison d’être de ce mécanisme : « l’ADN pour la nutrition », « l’ADN pour la réparation » et « l’ADN pour l’évolution ». Récemment, une quatrième hypothèse a émergé : la transformation naturelle permettrait aux bactéries de nettoyer leur génome d’Elements Génétique Mobiles (MGE) parasites. Cette dernière hypothèse est soutenue par le fait que beaucoup de ces MGEs altèrent le phénomène de transformation naturelle par divers mécanismes. Pendant ma thèse, j’ai participé à l’étude d’un mécanisme par lequel un MGE détourne le système de régulation de la compétence de Legionella pneumophila pour réprimer la transformation (Durieux, Ginevra et al., PNAS 2019). A l’inverse de la transformation naturelle qui est un processus très conservé, les mécanismes de régulation de la compétence sont très divers et même spécifiques d’une espèce. L. pneumophila est particulièrement originale : bien que tous les autres mécanismes de régulation de la compétence connus impliquent un activateur central pour réguler les gènes de la transformation, L. pneumophila utilise un système de régulation post-transcriptionnelle composé de RocR, un petit ARN non codant, et RocC, une protéine chaperonne. Au cours de ma thèse, j’ai d’abord essayé de développer un outil biosynthétique basé sur ce système RocC/RocR. L’idée est de modifier RocR pour reconnaitre l’ARNm de n’importe quel gène d’intérêt pour exercer une répression post-transcriptionnelle de ce gène. Les résultats sont présentés sous la forme d’un article qui pourra potentiellement être publié dans le futur (Kévin Picq et al., “Development of a biosynthetic tool for post-transcriptional repression in bacteria”). J’ai également étudié une autre protéine impliquée dans la régulation de la compétence chez L. pneumophila : ComR. En utilisant des approches de génétique et biochimie, nous avons montré que cette protéine est essentielle au système RocC/RocR, parce qu’elle stabilise RocR et potentiellement RocC. Ensuite, par des approches globales de transcriptomique et protéomique, nous avons montré que ComR est une protéine régulant l’expression de plus de 150 gènes impliqués dans de multiple fonctions cellulaire. Ces résultats suggèrent que chez L. pneumophila, la compétence a une fonction plus large que la simple régulation de la transformation naturelle. Ces résultats sont présentés dans un article proche de la soumission (Kévin Picq et al., “Regulation of competence in Legionella pneumophila”).

Natural transformation is a mechanism of horizontal gene transfer allowing bacteria to capture, internalize and integrate exogenous DNA into their chromosome via homologous recombination. Despite the possible benefits of being transformable, always integrating random exogenous DNA can be deleterious. Therefore, natural transformation is a tightly regulated mechanism, only possible when bacteria enter a particular physiological state called competence. Due to the strong conservation of the proteins involved in transformation in many unrelated species, three hypotheses on the evolutionary raison d’être of this mechanism had been proposed: “DNA for food”, “DNA for repair”, “DNA for evolution”. Recently a fourth hypothesis emerged: natural transformation is a way for bacteria to remove parasitic MGEs (Mobile Genetic Elements) from their chromosome. This last hypothesis is supported by the fact that many MGEs impair transformation by diverse means. During my PhD, I participated in the study of the mechanism by which a MGE hijacks the competence regulatory system of Legionella pneumophila to repress natural transformation (Durieux, Ginevra et al., PNAS 2019). Contrary to the well-conserved proteins required for natural transformation, competence regulation pathways are diverse and species-specific. L. pneumophila is particularly original: while all the other known competence regulatory mechanisms involve a central activator to up-regulate the transformation genes, L. pneumophila relies instead on the post-transcriptional repression system composed of RocR, a small noncoding trans-acting RNA and RocC, its cognate RNA chaperone. During my PhD, I first tried to develop a biosynthetic tool based on this RocC/RocR system. The idea was to modify RocR to recognize the mRNA of any gene of interest in order to perform post-transcriptional repression. The results are presented in the form of an article that could potentially be published in the future (Kévin Picq et al., “Development of a biosynthetic tool for post-transcriptional repression in bacteria”). I also studied another protein involved in competence regulation: ComR. Using biochemistry and genetic approaches, we show that this protein is essential to the RocC/RocR system as it stabilizes RocR and potentially RocC. Then, using global transcriptomic and proteomic approaches, we show that ComR is a protein that regulates the expression of more than 150 genes, involved in multiple cellular functions. This suggests that competence has other function than just the regulation of natural transformation in L. pneumophila. These results are assembled in an article which is close to submission (Kévin Picq et al., “Regulation of competence in Legionella pneumophila”).