Stochastic gene expression, phenotypic variability and adaptation of budding yeast to environmental stresses

par Jian Liu

Thèse de doctorat en Ingénierie Microbienne et Enzymatique

Sous la direction de Jean-Marie François et de Jean-Pascal Capp.

Soutenue le 19-06-2015

à Toulouse, INSA , dans le cadre de Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (laboratoire) et de Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Blondin.

Le jury était composé de Jean-Marie François, Jean-Pascal Capp, Olivier Gadal.

Les rapporteurs étaient Gianni Liti, Gael Yvert.

  • Titre traduit

    L'expression stochastique des gènes, la variabilité phenotypique et l'adaptation de levure dans l'environnement stressant


  • Résumé

    L’expression génique présente un caractère stochastique qui génère une variabilité phénotypique entre cellules individuelles, ce qui pourrait augmenter et favoriser l’adaptation des microorganismes dans des environnements sélectifs. Des modifications génétiques de promoteurs augmentant la variabilité d’expression pourraient avoir été sélectionnées dans des souches industrielles de Saccharomyces cerevisiae grâce à l’avantage qu’elles confèrent dans des conditions stressantes. Nous avons utilisé une approche génomique pour identifier des promoteurs conférant une forte variabilité d’expression dans la souche de vin industrielle EC1118. De nombreux promoteurs identifiés sont liés à des facteurs environnementaux. Certains d'entre eux contiennent des variations génétiques par rapport à leur homologue dans la souche de laboratoire S288c. Ces variations pourraient être responsables d’une augmentation de variabilité d’expression. Chacun des deux variantes de huit promoteurs a été fusionné avec yEGFP et intégré dans le génome des deux souches au même locus. Certains variantes industriels augmentent l’expression moyenne tout en présentant, comme attendu, moins de variabilité, mais d'autres augmentent ou diminuent l’expression sans modifier la variabilité, de telle sorte qu’ils pourraient présenter un niveau de variabilité différent à moyenne égale. Dans différentes conditions d’induction du promoteur CUP1 donnant des niveaux d’expression similaire pour les deux variantes, nous avons en effet observé que le variant industriel produit la variabilité la plus élevé, mais seulement dans la souche industrielle. Ceci démontre l’existence d’un phénomène d’épistasie dans la génération de la variabilité d’expression. Nous avons aussi observé que cette différence de variabilité est suffisante pour conférer un avantage dans un environnement sélectif. Par conséquent, la modulation de la variabilité d'expression génique par une combinaison de modifications de promoteur et d’influences en trans est un mécanisme d'adaptation possible dans la levure. Ce travail a été prolongé par l’étude de nombreux promoteurs produisant des profils d’expression bimodaux identifiés lors de l’approche génomique initiale, afin de mieux comprendre l’origine et le contrôle de ce type d’expression. Enfin, un travail concernant le lien potentiel entre variabilité d’expression et variabilité génétique a été engagé par l’utilisation d’un substrat de recombinaison homologue et de paires de promoteurs permettant d’exprimer des gènes impactant la recombinaison à un niveau moyen similaire mais des niveaux de variabilité différents.


  • Résumé

    The increase in phenotypic variability through gene expression noise is proposed to be an evolutionary strategy in selective environments. Differences in promoter-mediated noise between Saccharomyces cerevisiae strains could have been selected for thanks to the benefit conferred by gene expression heterogeneity in the stressful conditions, for instance, those experienced by industrial strains. In the first part of this thesis, we used a genome-wide approach to identify promoters conferring high noise levels in the industrial wine strain EC1118. Many promoters of genes related to environmental factors were identified, some of them containing genetic variations compared to their counterpart in the laboratory strain S288c. Each variant of eight promoters has been fused to yEGFP and integrated in the genome of both strains. Some industrial variants conferred higher expression associated, as expected, to lower noise, but other variants either increased or decreased expression without modifying variability, so that they might exhibit different levels of transcriptional-mediated noise at equal mean. At different induction conditions giving similar expression for both variants of the CUP1 promoter (pCUP1), we indeed observed higher noise with the industrial variant. Nevertheless, this difference was only observed in the industrial strain, revealing epistasis in the generation of promoter-mediated noise. Moreover, the increased expression variability conferred by this natural yeast promoter variant provided a clear benefit in the face of an environmental stress. Thus modulation of gene expression noise by a combination of promoter modifications and trans-influences might be a possible adaptation mechanism in yeast. This work was extended by the study of some promoters conferring bimodal expression profiles identified in the initial genomic approach to better understand the origin and the control of this expression pattern. Finally, works on the potential link between gene expression variability and genetic variability was carried out by the use of homologous recombination materials and a pair of promoters conferring similar mean level but different levels of variability for genes affecting recombination.


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Informations

  • Sous le titre : Stochastic gene expression, phenotypic variability and adaptation of budding yeast to environmental stresses
  • Détails : 1 vol. (iv-I-186 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.131-145
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