Study of the mechanisms reponsible for the cohesion of sister chromosomes in bacteria
Etude des mécanismes responsables de la cohésion des chromatides soeurs dans la bactérie
Résumé
During cell proliferation, the maintenance of genetic information is essential. In bacteria, replication and segregation are concomitant. Replication starts at the single, bidirectional origin of replication of bacterial chromosomes. Two replication arms are then defined, and replication ends in a region diametrically opposite to the origin, the terminus. As replication progresses, the newly replicated sister chromosomes migrate to opposite cell compartments. However, microscopic observations suggest that there is a delay between replication and segregation, and that this delay varies along the length of chromosomes. The delay between replication and segregation of the sister copies of a genomic position is referred to as sister chromatid cohesion. During my PhD, I used the high-resolution tool that allows for a genome-wide analysis of Sister Chromatid Cohesion (High-SC2) and studied the cohesion profile of the model organism Vibrio cholerae. It has been shown in E. coli that the cohesion responsible for the variation of segregation speed is modulated by Topoisomerase IV, a major decatenating enzyme. One of the identified partners of this decatenase is an SMC complex, MukBEF. Cells carrying a mukB deletion show a production of anucleate cells, and a mispositioned origin of replication. Chromosome segregation is impaired, and therefore sister chromatid cohesion is increased overall. The Topo IV-MukBEF interaction is regulated by MatP, which seems to displace MukBEF from the terminus of replication, facilitating the association of the MukBEF complex with the origin of replication. I therefore decided to investigate the role of MukB, in the formation of the long-range patterns of cohesion in V. cholerae. Using genetic approaches coupled with the High-SC2 assay, I demonstrated that the deletion of mukB leads to an increase in cohesion on Chr1, especially on its left replication arm, far from the origin. These results suggested that MukB does not preferentially act on specific regions and that the differential effect of the mukB deletion on Chr1 and Chr2 is probably linked to differences in their origin of replication and/or partition systems. Previous observations in the lab have in fact shown that a double deletion of MukB and ParAB1 leads to a strong phenotype, thus I investigated its effect on the cohesion profile. My results show an additional increase of cohesion in Chr1 near the ori, suggesting that the partitioning system acts on the decohesion of the ori domain while MukB acts on the chromosomal arms. In addition, it has been shown that MatP kept the sister-copies of the ter domain of Chr1 together until cell division. I used the Hi-SC2 assay to study its role in the increased cohesion of this region. I showed that MatP was responsible for the cohesion of the ter1 domain at cell division not behind the replication fork, unlike MukB. My results have also shown that it is the density of the matS sites located on the ter domain of each chromosome that influence the level of cohesion of these domains.
La maintenance de l'information génétique est essentielle pendant la prolifération cellulaire. Chez les bactéries, la réplication et la ségrégation sont concomitantes. La réplication débute à l'origine de réplication bidirectionnelle du chromosome bactérien. Deux bras de réplications sont ensuite définis, et la réplication se termine dans la région diamétralement opposée à l'origine, le terminus. Alors que la réplication progresse, les chromatides sœurs nouvellement répliquées migrent vers des côtés opposés de la cellule. Cependant, des observations par microscopie suggèrent qu'il existe un délai entre la réplication et la ségrégation qui varie le long du chromosome. Ce délai entre la réplication et ségrégation des chromatides sœurs est appelé cohésion des chromatides sœurs. Pendant ma thèse, j'ai utilisé l'outil de haute-résolution qui permet une analyse de la cohésion du génome entier (High-SC2) pour étudier le profil de cohésion de l'organisme modèle Vibrio cholerae. Il a été démontré chez E. coli que la cohésion responsable de la variation de la vitesse de ségrégation est modulée par Topoisomérase IV, une enzyme de décaténation majeure. L'un des partenaires identifiés de cette décaténase est le complexe SMC, MukBEF. Les cellules portant une délétion de mukB montrent une production de cellules anucléées, ainsi qu'une origine de réplication mal positionnée. La ségrégation des chromosomes est affectée, et la cohésion des chromatides sœurs est augmentée. L'interaction Topo IV-MukBEF est régulée par MatP qui chasserait MukBEF du terminus de réplication, facilitant ainsi l'association de MukBEF à l'origine de réplication. J'ai donc décidé d'étudier le rôle de MukB dans la formation des motifs de cohésion chez V. cholerae. Grâce à des approches génétiques couplées à l'outil High-SC2, j'ai pu démontrer que la délétion de mukB mène à une augmentation de la cohésion sur le Chr1, plus précisément sur le bras gauche, assez loin de l'origine. Mes résultats suggèrent que MukB n'agit pas préférentiellement sur des régions spécifiques, mais que ces effets différents sur les deux chromosomes de cet organisme sont dus aux différences dans leurs origines de réplication et/ou leurs systèmes de partition. De précédentes observations dans notre laboratoire ont montré qu'une double délétion de MukB et ParAB1 cause un phénotype sévère, plus important que les délétions individuelles, j'ai donc étudié les conséquences de cette double délétion sur le profil de cohésion. Mes résultats montrent une augmentation additionnelle de la cohésion dans le Chr1 près de l'origine, suggérant ainsi que le système de partition agit sur la décohésion sur le domaine de l'origine pendant que MukB agit sur le reste du chromosome. Il a été également montré que MatP retardait la ségrégation des chromatides soeurs du terminus de réplication du Chr1. J'ai utilisé le même outil qui m'a permis d'étudier le rôle de MatP dans la cohésion de cette région. J'ai pu montrer que MatP était responsable de cette cohésion uniquement au moment de la division cellulaire et non pas pendant la réplication contrairement à MukB. Mes résultats montrent également que la densité des matS présents dans le domaine ter de chaque chromosome qui influent sur la cohésion de ce même domaine.
Origine : Version validée par le jury (STAR)