Comprendre l’adaptation de Lactococcus lactis par une approche de biologie intégrative à l’échelle du génome

par Clémentine Dressaire

Thèse de doctorat en Microbiologie et biocatalyse industrielle

Sous la direction de Muriel Cocaign-Bousquet.

Soutenue en 2009

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    L’adaptation de Lactococcus lactis à différentes conditions de culture a été appréhendée grâce à une démarche de biologie intégrative. Cette approche intègre les données issues de différents niveaux de régulation et combine diverses techniques de mesure à l’échelle globale (transcriptome, protéome, stabilité des ARN messagers) et locale (suivi des paramètres de culture). Plusieurs outils mathématiques de modélisation (tels que la modélisation numérique et la modélisation statistique) ont étés développés pour intégrer l’ensemble de ces données hétérogènes. Une culture continue de L. Lactis à différents taux de dilution a permis d’étudier l’influence du taux de croissance sur la physiologie de la bactérie, un paramètre qui n’est jamais distingué de la réponse au stress lors des études dynamiques de l’adaptation. La réponse à la variation du taux de croissance implique majoritairement les fonctions associées à la biogenèse mais demeure extrêmement étendue puisqu’elle affecte l’expression de 30 % des gènes de L. Lactis. Cette réponse concerne les niveaux d’ARN messagers et de protéines mais aussi les processus cellulaires majeurs que sont la traduction, la dilution et la dégradation. Il a été montré, par une approche de modélisation, que les efficacités de traduction et les vitesses de dégradation des protéines étaient en effet inversement proportionnelles au taux de croissance. Au final, l’influence des différents processus cellulaires a pu être quantifiée par des calculs de coefficients de contrôle. L’imposition progressive d’une carence en isoleucine lors d’une culture discontinue en batch a permis de caractériser la réponse, encore peu étudiée, de L. Lactis à une carence en acide aminé. L’adaptation à ce stress nutritionnel entraîne une vaste réorganisation de la physiologie cellulaire qui se divise en trois types de réponses : une répression globale des principales fonctions biologiques associées à la croissance, une réponse propre au stress imposé visant à lutter spécifiquement contre la carence en isoleucine, ainsi qu’une activation inexpliquée de mécanismes en lien avec le stress oxydatif. L’implication de différents mécanismes (réponse stringente, mécanisme lié au taux de croissance, régulations par CodY, GlnR et CcpA) dans la régulation de cette réponse a été évaluée par transcriptomique comparative. Les déterminants majeurs des concentrations en protéines au sein de la cellule ont été recherchés mathématiquement grâce à un algorithme de sélection de modèles de covariances. Le biais de codons (CAI) s’est avéré être un paramètre majeur, plus important que les concentrations en ARN messagers, suggérant l’existence d’un contrôle génétique prépondérant sur l’adaptation transcriptionnelle. Enfin, il a pu être démontré que le degré d’implication des différents déterminants varie en fonction du mode d’adaptation. L’approche de biologie intégrative suivie au cours de cette thèse a permis une meilleure compréhension des mécanismes d’adaptation de L. Lactis et est aujourd’hui entièrement généralisable à d’autres processus comme à d’autres microorganismes

  • Titre traduit

    Understanding Lactococcus lactis adaptation through a genome-wide systems biology approach


  • Résumé

    A systems biology approach was implemented to study Lactococcus lactis adaptation to various growing conditions. This method combines growth parameter monitoring and genome-wide measurement technologies (transcriptome, proteome, messenger RNA stability). Data from these diverse regulation levels were integrated thanks to mathematical tools developed on purpose. Growth rate influence on L. Lactis physiology, which is never dissociated from stress responses when studying dynamic adaptation processes, was analysed through continuous culture at various growth rates. This widespread response mainly involves biogenesis-related functions and affects the expression of 30 % of L. Lactis genes. Both messenger RNA and protein levels are modified but cellular processes such as translation, dilution and degradation are also concerned. As a matter of fact, translation efficiency and protein degradation rates were proved to be inversely proportional to growth rate by a modelling approach. Control coefficient calculations enabled the quantification of cellular processes influences. The dynamic response of L. Lactis to isoleucine starvation was studied by the progressive consumption of this amino-acid in a discontinuous batch fermentation. This poorly characterized adaptation process triggers a wide reorganization of cellular physiology that could be divided in three parts: a global repression of the main biological functions related to growth, a response more specific to the encountered stress to struggle against isoleucine starvation and an unexplained activation of oxidative stress-related cellular functions. Comparative transcriptomics allowed the implication of various mechanisms to be quantified in the regulation of this adaptation response (stringent response, growth rate adaptation mechanism, CodY, GlnR and CcpA regulation). The major biological determinants of protein intracellular concentration were mathematically investigated thanks to a covariance model selection algorithm. Codons bias (CAI) was found to be the most influent parameter, even more than mRNA concentrations, which suggests that genetic control is stronger than transcriptional adaptation. The weight of the different determinants was also found to depend on adaptation modes. The systems biology approach applied in this work enabled a better understanding of L. Lactis adaptation mechanisms and will be entirely transposable to other cellular processes as well as other microorganisms

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Informations

  • Détails : 1 vol. (257-XII p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 235-254

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2009/986/DRE
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