Role of the Csr system in carbon nutrition and in the control of central metabolism in Escherichia coli K-12 MG1655 and Nissle 1917

par Pierre Millard

Thèse de doctorat en Ingénierie Microbienne et Enzymatique

Sous la direction de Jean-Charles Portais et de Jean-Philippe Nougayrede.

Le président du jury était Nicholas Lindley.

Le jury était composé de Jean-Charles Portais, Patrick Kiefer, Fabien Letisse.

Les rapporteurs étaient Erick Denamur, Guillaume Tcherkez.

  • Titre traduit

    Role du système Csr dans la nutrition carbonée et dans le controle du métabolisme central d'Escherichia coli K-12 MG1655 et Nissle 1917


  • Résumé

    L’implantation d'Escherichia coli dans l’intestin résulte de stratégies adaptatives globales permettant à la bactérie de survivre face aux changements de conditions environnementales. Sur le plan métabolique, la colonisation de l’intestin par E. coli parait associée à la disponibilité de sources de carbone préférentielles glycolytiques, alors que la maintenance et la persistance reposent sur sa capacité à utiliser différents substrats alternatifs (principalement gluconéogéniques) lorsque les substrats préférentiels deviennent limitant. Cette activation des processus gluconéogéniques, qui implique une réorganisation fonctionnelle complète du métabolisme, est associée in situ à de profonds remaniements physiologiques (perte de motilité, formation de biofilms, etc) nécessaires à la persistance d'E. coli dans l’intestin. Ces différents processus sont coordonnés par des réseaux de régulation particulièrement complexes, dont le système Csr (Carbon storage regulator), un des principaux régulateur post-transcriptionnel d'E. coli. Lors de ces travaux, nous avons analysé le rôle du système Csr dans la nutrition carbonée et le contrôle du métabolisme central d'E. coli sur des sources de carbone supportant sa croissance dans l'intestin et représentatives des principales voies de son métabolisme central (glycolyse, voie des pentoses phosphate, voie d'Entner-Doudoroff cycle de Krebs). Cette étude a été réalisée chez deux souches d'E. coli présentant des capacités d'implantation distinctes : la souche de laboratoire K12 MG1655, et la souche Nissle 1917, un excellent colonisateur appartenant au groupe phylogénétique B2. Une analyse détaillée du fonctionnement métabolique par des approches systémiques quantitatives haut-débit (métabolomique et analyse des flux métaboliques par marquage isotopique) a été mise en place. Elle a été exploitée pour caractériser finement le comportement métabolique de souches sauvages et de mutants du système Csr d'E. coli sur différentes sources de carbone, identifier des caractères métaboliques propres à chaque souche, et étendre le rôle du système Csr dans la nutrition carbonée et dans le contrôle du métabolisme central d'E. coli. Nos résultats démontrent que i) Csr favorise l'utilisation d'un large spectre de sources de carbone aussi bien glycolytiques que gluconéogéniques, ii) Csr contrôle un nombre de voies métaboliques plus important que ce que l'on pourrait attendre à partir de ses cibles identifiées, et iii) que le contrôle global exercé par le système Csr sur le fonctionnement du métabolisme central dépend de la source de carbone. Un rôle du système Csr dans le contrôle du métabolisme redox (production de NADH et de NADPH) et énergétique (production d'ATP), non reporté à ce jour, est également démontré. Enfin, nos résultats suggèrent un rôle de Csr dans le contrôle de la balance anabolisme-catabolisme d'E. coli. Ces travaux renforcent le rôle potentiel du système Csr dans l'adaptation d'E. coli face aux changements de conditions environnementales.


  • Résumé

    The implantation of Escherichia coli in the gut results from global adaptive strategies that allow the bacteria to survive in the changing environment of the intestine. At the metabolic level, recent findings indicate that colonisation is mainly related to the utilization of sugars and sugar derivatives through glycolytic pathways. In contrast, persistence of E. coli in the gut is supported by less favorable substrates, including small organic acids. The use of the latter compounds requires activation of gluconeogenic pathways, and efficient switching between glycolytic and gluconeogenic carbon sources is likely to be a major feature of successful adaptation to life in the intestine. These adaptive processes are controlled by highly sophisticated regulatory networks, such as the Csr (carbon storage regulator) system which is the main post-transcriptional regulator in E. coli. Csr was found to control a broad range of phenotypes allowing E. coli to successfully implant and persist in the gut, such as biofilm formation, motility as well as many functions involved in carbon nutrition, including glycolysis, gluconeogenesis, acetate and glycogen metabolism. Although Csr is likely to play an important role in the adaptation of bacteria to the nutritional context of the host, it is poorly understood sofar. In this work, we investigate the role of the Csr system in the control of E. coli metabolism on physiologically-relevant carbon sources representative of the main glycolytic (Entner-Doudoroff pathway, pentose phosphate pathway, glycolysis) and gluconeogenic pathways of E. coli. This work was carried out on two E. coli strains with distinct implantation capabilities : the K12 MG1655 laboratory strain and the Nissle 1917strain, an efficient colonizer of the gut belonging to the highly competitive B2phylogenetic group. First, we designed a complete methodology (metabolomics and 13C-metabolic flux analysis) for quantitative, system-level investigations of the actual operation of E. coli metabolism. Then, we performed detailed, system-level investigations of wild-type strains and Csr mutants. This work provides valuable information regarding systemic properties of E. coli metabolism, and identifies metabolic specificities of the Nissle 1917strain likely involved in its competitiveness in the gut. The role of Csr appears to be qualitatively and quantitatively the same in both K12 MG1655 and Nissle 1917 strains. We show that i) Csr enhances the utilisation of a broad spectrum of glycolytic and gluconeogenic carbon sources, ii) Csr controls a range of metabolic pathways wider than expected from its known target enzymes, and iii) the actual impact of the Csr system on the central metabolism of E. coli depends on the carbon source. We also demonstrate that Csr controls energy and redox metabolism in E. coli. Csr enhances the production of ATP and of reduced cofactors (NADH and NADPH), and we suggest that it also may control the catabolism-anabolism balance in E. coli. Finally, our results reinforce the potential role of the Csr system in the global adaptation of the bacterium to the gut environment.


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Informations

  • Sous le titre : Role of the Csr system in carbon nutrition and in the control of central metabolism in Escherichia coli K-12 MG1655 and Nissle 1917
  • Détails : 1 vol. (214 p.)
  • Annexes : Notes bibliogr.
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