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Accueil > Départements > Biologie des Génomes > Nara FIGUEROA-BOSSI : Régulation génétique chez Salmonella et ses phages

Nara FIGUEROA-BOSSI : Présentation de l’équipe

L’analyse génétique reste une approche puissante pour disséquer les processus biologiques, identifier des nouveaux partenaires et définir les relations structure-fonction des protéines et de l’ARN. Pendant la dernière décennie, le développement de méthodes de recombinaison appliquées à l’ingénierie de l’ADN bactérien ("recombineering") a rendu l’approche génétique plus efficace que jamais. Notre équipe utilise cette stratégie, associée à la biologie moléculaire, pour étudier des nouveaux mécanismes chez la bactérie modèle Salmonella enterica. Plus particulièrement les mécanismes impliquant les petits ARN régulateurs et les activités déclarées et "clandestines" du facteur de terminaison de la transcription Rho.

Salmonella enterica (serovar Typhimurium), système modèle pour les études génétiques.
Les photos montrent des microcolonies de bactéries exprimant des protéines marquées avec des "étiquettes" fluorescentes.
©L Bossi

Petits ARN régulateurs

En moins d’une décennie, les petits ARN non-codants ont émergé en tant que régulateurs omniprésents chez tous les organismes vivants allant des Archaea aux bactéries, aux plantes et aux animaux. Leur implication dans les processus biologiques transformatifs, y compris le développement et les maladies, est maintenant clairement établie. Un rôle clé des petits ARN régulateurs est leur participation dans l’adaptation des bactéries aux changements environnementaux et aux stress.

La plupart des petits ARN sont des régulateurs négatifs.
Codés à des locus séparés de ceux de leurs gènes cibles, les petits ARN sont stabilisés par leur association avec la protéine chaperonne Hfq (vert). Ils s’apparient près de, ou avec, les séquences d’initiation de la traduction de l’ARNm cible. Cet appariement interfère avec la liaison du ribosome (fucsia) et rend l’ARNm susceptible à la dégradation par la ribonucléase RNaseE (bleu foncé).

Les petits ARN que l’on appelle "codés en trans" répriment, ou moins fréquemment activent, l’expression des gènes cibles par un mécanisme impliquant un appariement imparfait entre le petit ARN et l’ARN messager cible. Chez les bactéries à Gram négatif, cette action nécessite la protéine chaperonne Hfq, qui protège les petits ARN de la dégradation et fournit une plateforme physique pour faciliter l’interaction entre le petit ARN et sa cible. C’est une idée répandue que la liaison de l’ARNm à Hfq est nécessaire pour stimuler l’interaction entre les deux ARN. Cependant, la généralité de cette affirmation, ainsi que les règles spécifiques qui gouvernent l’accommodation du petit ARN et l’ARNm cible à la surface de la protéine restent incertaines et sont l’objet d’étude dans notre laboratoire.

Petits ARN, homéostasie et adaptation

“Se vogliamo che tutto rimanga come è, bisogna che tutto cambi !” Giuseppe Tomasi di Lampedusa (“Le Guépard”)

La régulation conventionnelle effectuée par une protéine typiquement répond aux changements dans l’activité du régulateur (e.g. la liaison ou la dissociation d’un ligand) ; par contre, celle effectué par les petits ARN normalement implique le plus souvent des variations dans les niveaux du régulateur. Cette dernière caractéristique fait que les petits ARN soient particulièrement adaptés pour participer à des circuits homéostatiques où l’action du petit ARN entraîne une réponse qui affecte les niveaux de ce dernier. Une boucle homéostatique négative est celle de la régulation de la biogenèse des porines chez Salmonella et E. coli (panneau a, ci-dessous). L’existence de boucles homéostatiques positives (b, ci-dessous à droite) est une question que nous étudions au laboratoire.

La production excessive de porines déclenche une cascade protéolytique qui active le facteur Sigma alternative, σE.
Ce dernier, parmi d’autres effets, dirigera la synthèse de deux petits ARN, MicA et RybB. A leur tour, ces deux petits ARN vont réprimer les ARNm des porines ainsi éteignant le signal responsable de leur propre activation. Une boucle homéostatique de signe opposé existe si l’action activatrice d’un petit ARN déclenche des changements qui amènent à la répression du gène de ce même petit ARN (panneau b).

Mimétisme moléculaire transforme un régulateur dans une cible de régulation

La protéine ChiP de Salmonella et d’E.coli est une porine dévouée au passage de chitosucres du milieu extérieur vers le périplasme. En absence de substrat, la synthèse de ChiP est réprimée par l’action d’un petit ARN transcrit de façon constitutive, ChiX, qui s’apparie avec la séquence contenant le site de reconnaissance du ribosome sur l’ARNm de chiP. En présence de chitosucres, la répression est levée par un mécanisme singulier qui rappelle certains mécanismes modulant l’activité de microRNAs chez les eucaryotes. Les chitosucres induisent l’accumulation d’une molécule d’ARN qui fonctionne en tant que leurre pour ChiX et dont l’appariement avec ChiX élicite sa dégradation. La séquence leurre appartient à l’opéron chbBCARFG codant pour les composants du système transport actif de chitosucres du périplasme vers l’intérieur de la cellule ainsi que pour des enzymes cataboliques. De cette façon, le design du système permet de coupler l’entrée des ces sucres, du milieu externe vers le péripalsme, avec le transport actif a travers la membrane interne. Ce système se prête à la modélisation mathématique. (Figueroa-Bossi et al., 2009 ; Plumbridge et al., 2014)

chIP
Non Induit, à gauche : la synthèse de la chitoporine ChiP est réprimée par le petit ARN ChiX (gène en noir), lequel s’apparie avec la séquence de l’ARNm de chiP au niveau du site de liaison du ribosome. L’opéron chbBCARFG code pour les fonctions cataboliques et de transport (à travers la membrane interne) de chitosucres (seuls les gènes chbBC de l’opéron indiqués, en orange). Cet opéron est réprimé par la protéine NagC. Le maintien de l’état réprimé de chiP est assuré par la transcription continuelle du gène chiX, à partir de son promoteur constitutif. Induit, à droite : la présence de chitosucres induit l’expression de la protéine activatrice ChbR qui va déloger NagC et allumer la transcription de l’opéron chbBCARFG. La partie chbBC de l’ARNm porte une séquence capable de s’apparier avec ChiX. La vaste accumulation de ce leurre détourne ChiX entrainant sa dégradation. Ainsi, la répression de chiP est levée.
©L Bossi

Le facteur Rho

Le facteur Rho est une hélicase hexamèrique qui promeut la terminaison de la transcription chez les bactéries. Rho s’ancre à des séquences spécifiques de l’ARN appelées sites "rut" (rho utilisation) sur la chaine naissante d’ARN et utilise son activité translocase, ATP-dépendante, pour rattraper le complexe d’élongation de la transcription et forcer sa dissociation de l’ADN matrice. En plus de sa contribution à la ponctuation des unités de transcription sur les génomes bactériens, Rho participe au contrôle de qualité global du processus de transcription par la suppression de la formation des R-loops et de la transcription antisense et par la prévention de conflits entre transcription et réplication de l’ADN. En plus, Rho est recrutée dans des mécanismes spécifiques de régulation des gènes. Deux "patterns" de recrutement conditionnel de Rho ont émergé. L’un d’entre eux renouvelle le concept classique de polarité transcriptionnelle où des sites rut intra géniques, normalement cachés par les ribosomes qui traduisent l’ARNm, deviennent accessibles à Rho lorsque la transcription et la traduction sont découplées.

Opéron bi-cistronique chiP-chiQ
©L Bossi

Représentatif de ce type de mécanisme est celui utilisé par le petit ARN ChiX pour contrôler négativement le gène distal de l’opéron bi-cistronique chiP-chiQ chez Salmonella et E. coli. ChiX s’apparie à une séquence proche de l’extrémité 5’ de l’ARNm de chiP (voir plus haut) et inhibe la traduction de l’ARNm de chiP. Si cela se produit de façon co-transcriptionnelle, un site rut présent dans la première partie de l’ARNm de chiP devienne disponible pour se lier à Rho, entrainant une terminaison prématurée de la transcription. Ainsi, grâce au recrutement de Rho, le petit ARN peut inhiber l’expression un gène (chiQ) positionné à distance de son site d’appariement (Bossi et al 2012)

Facteur Rho

Dans le deuxième "pattern", le site rut se trouve dans la région 5’ non-traduite du gène cible où il participe dans une structure/conformation de l’ARN qui est modulée par l’association avec un ligand (petit molécule ou protéine). Nous avons découvert un mécanisme de ce type opérant dans la répression du gène pgaA chez E. coli par le régulateur global CsrA. Lorsque la protéine CsrA se lie à la région leader de l’ARNm de pgaA, elle défait la structure secondaire qui séquestre le site rut. En rendant le site rut accessible à Rho, CsrA promeut la terminaison de la transcription au niveau de la séquence leader de l’ARNm de pgaA (Figueroa-Bossi et al 2014). D’autres exemples de recrutement de Rho dans la régulation de l’expression des gènes sont actuellement étudiés au laboratoire.

Contact


FIGUEROA-BOSSI Nara [Directeur de Recherche - CNRS]
Equipe Figueroa N. - Régulation génétique chez Salmonella et ses phages [Responsable]
01 69 82 38 11 Gif - Bât 26

publié le , mis à jour le