Elucidation de mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la formation des hétérocystes chez des cyanobactéries diazotrophes

New insights into the regulation of heterocyst formation and patterning in diazotrophic cyanobacteria

• Auteur / Autrice : Raphaël Rachedi
• Direction : Amel Latifi, Maryline Foglino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 16/03/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la vie et de la santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie bactérienne (LCB) (Marseille) - Institut de Microbiologie de la Méditerranée (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Emilia Mauriello
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwan Gueguen, Soufian Ouchane, Denis Duché
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Iris Maldener, Maria Fillat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fixation de l'azote

Différenciation cellulaire

Cyanobactéries

Biotechnologie

Mots clés libres

Biotechnologies

Cyanobactéries

Différenciation cellulaire

Diazotrophie

Nostoc

Signalisation

Biotechnology

Cell differentiation

Cyanobacteria

Diazotrophy

Nostoc

Signaling

Résumé

Les cyanobactéries sont les seuls procaryotes réalisant la photosynthèse oxygénique. Parmi elles, les diazotrophes multicellulaires sont d’excellents modèles d’étude pour la compréhension de processus cellulaires complexes et pour leur potentiel biotechnologique tel que pour la production de bio-hydrogène. Par exemple, lors d’une carence en azote, Nostoc PCC 7120 va transformer 10% de ses cellules végétatives selon un pattern précis en unités micro-oxiques appelées hétérocystes, utilisables comme usines naturelles pour la production d’enzymes sensibles à l’oxygène. L’augmentation de leur fréquence serait une avancée majeure dans ce domaine et une étape clé vers ce but est d’élucider les mécanismes moléculaires qui contrôlent le pattern et la maturation des hétérocystes lors de la différenciation que j’ai donc étudié au cours de ma thèse. J’ai d'abord étudié le régulateur transcriptionnel PatB et montré qu’il active directement des gènes requis pour l’activité de la nitrogénase, l’enzyme fixatrice d’azote. J’ai montré qu’étonnamment, l’activité de PatB n’est pas inhibée par l’oxygène et qu’il pourrait être impliqué dans les deux types cellulaires, ce qui en fait un acteur clé dans le remaniement du métabolisme azoté de cette bactérie. Ensuite, nous avons clarifié la fonction de HetC, un facteur essentiel à la différentiation. J’ai montré que celui-ci appartient à un groupe d’ABC transporteurs qui possèdent une activité protéolytique dont les deux activités se sont révélées indispensables. Enfin, mes résultats suggèrent que PatB et HetC pourraient être fonctionnellement reliés par la protéine HetP, impliquée dans l’étape d’engagement lors de la différenciation cellulaire.

Cyanobacteria are the only prokaryotes able to perform oxygenic photosynthesis. Among them, multicellular and diazotrophic cyanobacteria are excellent models for both the understanding of complex cellular processes and for their biotechnological potential. For instance, under combined nitrogen starvation, the filamentous cyanobacterium Nostoc PCC 7120, differentiates 10% of its cells according to a precise pattern into micro-oxic units called heterocysts, devoted to atmospheric nitrogen fixation. The latter can provide natural cell factories for producing oxygen-sensitive enzymes of interest and artificially increased heterocyst frequency could provide an important achievement in this field. A key step towards this goal is to decipher the molecular mechanisms controlling heterocyst patterning and maturation during cell differentiation that I studied during my thesis. I first studied PatB, a transcriptional regulator, and showed that it directly activates genes required for the activity of the nitrogenase. Intriguingly, our results indicate that the activity of this regulator is not inhibited by oxygen and that it is possibly involved in the two cell types, which makes of it a key player in the shift of the metabolism of this bacterium to diazotrophy. Then, we elucidated the function of HetC, another essential factor for differenciation. I showed that it belongs to an ABC exporters group that possess a proteolytic activity, and that both activities are essential for cell differentiation. Finally, our results suggest that PatB and HetC could be functionally linked through another essential protein called HetP, involved in the commitment step during cell differentiation.