Organisation spatiale et expression du génome de la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii

Spatial organization and genome expression of the phytopathogenic bacteria Dickeya dadantii

• Auteur / Autrice : Maëlys Delouis
• Direction : Axel Cournac, Sam Meyer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Bioinformatique et biologie des systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique des génomes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Régulation Spatiale des Génomes

Mots clés

Mots clés libres

Conformation spatiale du génome

Phytopathogène

Régulation de la transcription

Protéines associés au nucleoïd

Unité transcriptionnelle

Biologie computationnelle

Genome Spatial Conformation

Phytopathogen

Regulation of transcription

Nucleoid-associated proteins

Transcription unit

Computational biology

Résumé

L'adaptation des bactéries aux changements environnementaux nécessite une réorganisation rapide de la régulation transcriptionnelle, vitale pour leur survie et leur pathogénicité. Ce processus est contrôlé par des facteurs de transcription spécifiques, l'enroulement de l'ADN et des régulateurs globaux, en particulier les protéines associées aux nucléoïdes (Nucleoid-Associated Proteins ou NAPs), qui modulent la structure de la chromatine et la transcription des gènes. Les facteurs environnementaux peuvent rapidement modifier le superenroulement, influençant ainsi les réponses transcriptionnelles génomiques. Les protéines associées à la chromatine stabilisent des structures distinctes de superenroulement et des conformations chromosomiques à longue portée, ce qui suggère que les conditions environnementales peuvent modifier la structure des chromosomes, affectant ainsi l'expression des gènes et le phénotype cellulaire. Dans les cellules bactériennes, l'ADN est compacté en une structure dynamique appelée nucléoïde, organisée à plusieurs niveaux hiérarchiques. À plus petite échelle, les domaines super-enroulés (~10-20kb) sont topologiquement isolés, tandis qu'à plus grande échelle, les technologies de capture de la conformation des chromosomes (telles que le 3C et le Hi-C) ont permis d'identifier des domaines d'interaction chromosomique (CID) (~100kb). Les limites des CID sont souvent associées à des gènes longs et fortement transcrits, bien que les mécanismes à l'origine de la formation de ces limites ne soient pas clairs. Des résultats préliminaires suggèrent que ces frontières pourraient être liées à l'expression de gènes liés à la membrane. Des études récentes sur Escherichia coli et Bacillus subtilis ont exploré l'implication des NAPs dans l'organisation du nucléoïde, mais la relation entre la conformation du chromosome et l'expression des gènes reste mal comprise. Ce projet de doctorat vise à déterminer comment le repliement du génome est activement et dynamiquement remodelé dans des conditions environnementales changeantes et comment il influe sur les profils d'expression des gènes. Il comprendra des étapes expérimentales et l'analyse informatique d'ensembles de données à haut débit collectées par l'équipe CRP de l'INSA de Lyon. Le pathogène végétal Dickeya spp. utilisé comme organisme modèle convient parfaitement à cet objectif. Les Dickeya spp. ont attiré l'attention en raison de leur émergence mondiale, causant des pertes économiques significatives en infectant les cultures. Leur virulence est principalement liée à la sécrétion d'enzymes dégradant les parois cellulaires des plantes (PCWDE). Trois espèces - D. dadantii, D. dianthicola et D. solani - sont particulièrement étudiées. Bien qu'étroitement apparentées, elles présentent des différences de métabolisme et d'expression génique qui peuvent être liées à des réarrangements du génome et qui expliquent leur capacité variable à envahir les agro-écosystèmes. Ces bactéries coordonnent l'expression des gènes de virulence avec les changements environnementaux, ce qui est crucial pour une invasion efficace de l'hôte. Des études ont révélé des domaines chromosomiques étendus de transcription cohérente émergeant en réponse au stress pendant la croissance pathogène, abritant des gènes responsables de la virulence. Ces domaines sensibles au stress présentent des couplages distincts entre la sensibilité au superenroulement de l'ADN et les réponses aux NAPs, ce qui pourrait indiquer des changements de conformation chromosomique. Ce projet testera cette hypothèse, en examinant la relation entre la structure des chromosomes et l'expression des gènes pendant l'infection des plantes. Tout au long de ce projet, nous aborderons les questions suivantes : La conformation 3D des chromosomes change-t-elle en réponse aux variations environnementales ? Cela facilite-t-il l'expression coordonnée des fonctions de virulence ? Quel rôle jouent les NAPs dans l'organisation spatiale du chromosome de Dickeya ? Comment les structures de transertion membranaire affectent-elles la conformation 3D du chromosome et quel est l'impact sur l'expression des gènes à proximité de ces sites d'ancrage ?

Bacterial adaptation to environmental changes requires rapid reorganization of transcriptional regulation, vital for survival and pathogenicity. This process is controlled by specific transcription factors, DNA supercoiling, and global regulators, particularly nucleoid-associated proteins (NAPs), which modulate chromatin structure and gene transcription. Environmental factors can swiftly alter supercoiling, influencing genomic transcriptional responses. NAPs stabilize distinct supercoil structures and long-range chromosome conformations, suggesting environmental conditions may alter chromosome structure, affecting gene expression and cellular phenotype. In bacterial cells, DNA is packed into a compact, dynamic structure called the nucleoid, organized at multiple hierarchical levels. At smaller scales, supercoiled domains (~10-20kb) are topologically insulated, while at larger scales, Chromosome Conformation Capture technologies (such as 3C and Hi-C) have identified Chromosomal Interaction Domains (CIDs) (~100kb). CID boundaries are often associated with long, strongly transcribed genes, though the mechanisms behind boundary formation remain unclear. Preliminary results suggest these boundaries may be linked to membrane-related gene expression. Recent studies on Escherichia coli and Bacillus subtilis have explored NAP involvement in nucleoid organization, yet the relationship between chromosome conformation and gene expression remains poorly understood. The PhD project aims to determine how the folding of the genome is actively and dynamically remodelled under changing environmental conditions and impacts on gene-expression profiles. It will involve some experimental steps and computational analyses of high-throughput datasets collected in the CRP team at INSA Lyon. The plant pathogen Dickeya spp. used as model organism is ideally suited for this purpose. Dickeya spp. have attracted attention due to their global emergence, causing significant economic losses by infecting crops. Their virulence is primarily linked to the secretion of plant cell wall-degrading enzymes (PCWDEs). Three species—D. dadantii, D. dianthicola, and D. solani—are particularly studied. Although closely related, they exhibit metabolic and gene expression differences that may be tied to genome rearrangements and explain their varying abilities to invade agroecosystems. These bacteria coordinate virulence gene expression with environmental changes, crucial for effective host invasion. Studies have revealed extended chromosomal domains of coherent transcription emerging in response to stress during pathogenic growth, which harbor virulence genes. These stress-responsive domains show distinct couplings between DNA supercoiling sensitivity and NAP responses, potentially indicating chromosomal conformation changes. This project will test this hypothesis, examining the relationship between chromosome structure and gene expression during plant infection. Throughout this project, we will adress the following questions: Does 3D chromosome conformation change in response to environmental variations? Does this facilitate coordinated expression of virulence functions? What role do NAPs play in the spatial organization of the Dickeya chromosome? How do membrane transertion structures affect chromosome 3D conformation, and what impact does this have on gene expression near these anchoring sites?