Régulation globale de la transcription bactérienne par le surenroulement de l'ADN

Global regulation of bacterial transcription by DNA supercoiling

• Auteur / Autrice : Maiwenn Pineau
• Direction : Sam Meyer, Florence Hommais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie, adaptation et pathogénie (Lyon) - Microbiologie- adaptation et pathogénie / MAP
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CRP - Chromatine et Régulation de la Pathogénie bactérienne
• Jury : Président / Présidente : Florence Popowycz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sam Meyer, Florence Hommais, Florence Popowycz, Jean-Yves Bouet, Ivan Junier, Virginia S Lioy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Bouet, Ivan Junier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioinformatique

Transcription génétique

ADN bactérien

Bactéries phytopathogènes

Mots clés libres

Biosciences

Superenrouelement de l'ADN

Bactérie phytopathogène

Génétique

RNA-Seq

ChIP-Seq

Régulation transcriptionnelle

Bioinformatique

Dickeya dadantii

Génome

Biosciences

DNA supercoiling

Phytopathogenic bacteria

Genetics

RNA-Seq

ChIP-Seq

Transcriptional regulation

Bioinformatics

Dickeya dadantii

Genome

Résumé

Chez les bactéries, le chromosome est situé dans le cytoplasme, sous une forme très compacte. Cette compaction résulte notamment du surenroulement de l'ADN (SC), c'est à dire de la déformation torsionnelle de la double-hélice de l’ADN. Selon les conditions environnementales rencontrées par les bactéries, le niveau de SC peut varier. Ce niveau est principalement contrôlé par la gyrase, qui augmente le niveau de SC, et la topoisomérase I, qui relâche l'ADN. La régulation du niveau de SC est très importante car le SC est un régulateur de l'expression des gènes. L'objectif de ma thèse est de caractériser la régulation globale de la transcription bactérienne par le SC. Nous avons obtenu le premier transcriptome d'une bactérie à Gram négatif à une inhibition de sa topoisomérase I avec un antibiotique. Nous avons mis une nouvelle fois en évidence une régulation globale et complexe de la transcription par le SC et nous avons découvert que la réponse des gènes à une variation de SC dépend du niveau d'expression et du contexte génomique des gènes, de la direction de la variation de SC et du contexte physiologique de la bactérie. J’ai ensuite développé un package Python facilitant les analyses statistiques reproductibles de données expérimentales (ChIP-Seq, RNA-Seq…) et d'annotations dans le cadre de l'étude de l'expression d'un génome bactérien selon ses propriétés spatiales. Avec ce package j’ai pu exploiter des données publiées sur la fixation de la topoisomérase I et de la gyrase le long du chromosome. En analysant ces données qui donnent un aperçu du niveau de SC local, j'ai pu, d’une part, étudier l'effet de la transcription sur le niveau de SC à une échelle de 10 à 20 kb autour des unités de transcription et, d’autre part, observer une organisation méconnue du chromosome en domaines de 100 kb environ.

The bacterial chromosome is highly compacted in the cytoplasm. This compaction is largely the result of DNA supercoiling (SC), which involves the torsional deformation of the DNA double helix and is dependent on the environmental conditions encountered by bacteria. SC levels are primarily controlled by gyrase, which increases SC, and topoisomerase I, which relaxes the DNA. The regulation of SC levels is crucial because SC serves as a regulator of gene expression. The objective of my thesis is to characterize the global regulation of bacterial transcription by SC. We obtained the first transcriptome of a Gram-negative bacterium under inhibition of its topoisomerase I using an antibiotic. We confirmed a global and complex regulation of transcription by SC and highlighted that the response of genes to SC variation depends on the gene's expression level, genomic context, the direction of SC change, and the physiological context of the bacterium. I also developed a Python package to facilitate reproducible statistical analyses of experimental data (ChIP-Seq, RNA-Seq, etc.) and annotations for studying the expression of a bacterial genome based on its spatial properties. With this package, I was able to analyze publicly available ChIP-Seq data of Escherichia coli topoisomerase I and gyrase along the chromosome. By examining this data, which provides insight into local SC levels, I was able to investigate, on one hand, the effect of transcription on SC levels within a 10 kb region around transcription units and, on the other hand, observe a previously unknown organization of the chromosome into approximately 100 kb domains.