Biais de codons et régulation de la traduction chez les bactéries et leurs phages

Codon bias and regulation of translation in bacteria and phages

• Auteur / Autrice : Marc Bailly-Bechet
• Direction : Massimo Vergassola
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séquence nucléotidique

Régulation de l'expression des gènes bactériens

Chromosomes de bactérie

Codon

Résumé

Cette thèse regroupe des travaux concernant le biais d'usage de codons et son rôle chez les bactéries et leurs phages. Après une introduction portant sur i) la traduction chez les procaryotes, et ii) les techniques de classification et la théorie de l'information, un nouvel algorithme de partition d'un ensemble de gènes en fonction de leur usage de codons est appliqué aux génomes d'e. Coli et de b. Subtilis. Le génome de ces organismes se compose respectivement de 4 et 5 groupes de gènes ayant des usages de codons distincts. Les gènes du même groupe partagent des fonctions similaires, et sont organisés sur le chromosome en domaines d'une longueur de 10 à 15 gènes. Cette organisation non triviale pourrait permettre une régulation de la vitesse de traduction des gènes en fonction de leur contexte génétique. Dans la seconde partie le biais de codons et le contenu en arnt de phages sont analysés, comparativement à ceux de leurs hôtes. L'étude statistique montre que le contenu en arnt des phages n'est pas aléatoire, mais biaisé en faveur d'arnt complémentaires aux codons fréquents chez le phage. Un modèle d'équation maîtresse montre quels processus pourraient modeler cette distribution des arnt chez les phages: l'acquisition aléatoire par le phage d'arnt, et la perte préférentielle des arnt correspondants à des codons moins utilisés par le phage que par son hôte. Un tel mécanisme permettrait au phage de s'adapter en ne conservant que les arnt présents en faible quantité chez son hôte pendant l'infection. Finalement, on observe plus d'arnt chez les phages lytiques que chez les tempérés, indiquant une plus forte selection traductionnelle dans leur cas.

THIS THESIS CONTAINS SOME WORKS ABOUT THE CODON BIAS AND ITS ROLE IN BACTERIA AND PHAGES, PARTICULARLY ABOUT TRANSLATION REGULATION AND CHROMOSOME ORGANIZATION IN BACTERIA. AFTER AN INTRODUCTION DESCRIBING I) TRANSLATION PROCESSES IN PROKARYOTES, AND II) BASES OF CLASSIFICATION AND INFORMATION THEORIES, A NEW CLUSTERING ALGORITHM DESIGNED TO CLASSIFY A SET OF GENES ACCORDING TO THEIR CODON USAGE IS PRESENTED. ITS APPLICATION TO THE GENOMES OF E. COLI AND B. SUBTILIS PUTS FORWARD MULTIPLE PHENOMENA. THEIR GENOMES ARE RESPECTIVELY COMPOSED OF 4 AND 5 CROUPS OF GENES SHARING THE SAME CODON USAGE. THE GENES OF THE SAME GROUP TEND TO HAVE SIMILAR FUNCTION, AND ARE ORGANIZED IN COHERENT DOMAINS 10 TO 15 GENES LONG ON THE CHROMOSOME. THIS NON-TRIVIAL ORGANISATION COULD BE USED TO REGULATE THE TRANSLATION SPEED OF GENES DEPENDING ON THEIR SIMILARITY WITH THEIR GENETIC CONTEXT. IN THE SECOND PART, THE CODON BIAS AND TRNA CONTENT OF PHAGES ARE ANALYZED, RELATIVE TO THOSE OF THEIR HOSTS. STATISTICAL TESTS SHOW THAT TRNA CONTENT IN PHAGEj GENOMES IS NOT RANDOM, BUT BIASED TOWARDS THE TRNA COGNATE TO THE FREQUENT CODONS IN THE PHAGE GENOME. A MASTER EQUATION MODEL SHOWS THAT THIS TRNA DISTRIBUTION COULD BE THE RESULT OF TWO PROCESSES: RANDOM ACQUISITION OF TRNA AMONG THOSE OF THE HOST, AND PREFERENTIAL LOSS OF TRNA COGNATE TO CODONS USED LESS IN THE PHAGE THAN INSIDE ITS HOST. SUCH A SELECTION COULD BE ADAPTATIVE BY ALLOWING THE PHAGE TO KEEP ONLY THE TRNAS INSUFFICIENTLY REPRESENTED INSIDE ITS HOST. EVENTUALLY, MORE TRNAS ARE OBSERVED AMONG LYTIC PHAGES THAN AMONG TEMPERATE ONES, WHICH LEAD TO THE HYPOTHESIS THAT THE SELECTIVE PRESSURE ACTING ON TRANSLATION IS MORE IMPORTANT TO THEM