Identification of a new regulatory pathway for the K-State in bacillus subtilis

par Mathieu Miras

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Patrice Polard.

  • Titre traduit

    Identification d’une nouvelle voie de regulation du K-state chez Bacillus subtilis


  • Résumé

    Bacillus subtilis, une bactérie Gram-positive présente dans le sol, peut lorsque les nutriments sont en concentrations limitantes, sporuler, former des biofilms ou devenir compétente. La compétence est, chez B. subtilis, caractérisée par un arrêt de la division cellulaire, une tolérance aux antibiotiques et l'expression de plus d'une centaine de gènes. L'expression de la compétence, aussi désignée sous le nom de " K-state ", est dépendante de la synthèse du facteur de transcription ComK et se fait de façon stochastique résultant en la formation de deux sous-populations bactériennes, non-compétentes et compétentes. L'émergence, à partir de cellules génétiquement identiques, de deux sous-populations distinctes est une stratégie de survie très répandue chez les procaryotes, connue sous le nom de " bet-hedging ". Bien que les mécanismes de régulation du développement de la compétence ont, chez B. subtilis, largement été étudiés au cours des dernières années, la raison pour laquelle les souches non-domestiques sont très peu transformables (1-2% de la population) comparé aux souches domestiques (~15%) reste méconnue. Nous démontrons ici que c'est essentiellement dû à une mutation de transition dans le promoteur du gène degQ. Cette mutation diminue la synthèse de DegQ, protéine impliquée dans la régulation de la formation de biofilms, de la synthèse d'exoprotéases et de la transformation génétique. DegQ est une protéine impliquée dans le transfert d'un groupe phosphoryl entre la kinase DegS et son substrat DegU. Une faible quantité de DegQ diminue la concentration en DegU~P ce qui a pour conséquence la désinhibition de l'opéron srfA entrainant une accumulation de ComK et l'expression de la compétence. C'est ainsi que, dans les souches domestiques de B. subtilis, un plus grand nombre de bactéries atteignent le niveau nécessaire en ComK pour activer une boucle d'auto-activation transcriptionnelle de comK. Nous démontrons aussi que l'activation transcriptionnelle de srfA est, dans les souches non-domestiques, transitoire alors que la population bactérienne entre en phase stationnaire de croissance. Ces données indiquent que le développement de la compétence est moins fréquent et plus transitoire dans les souches non-domestiques de B. subtilis. De plus, cette limitation du K-state dans les souches non-domestiques est plus importante que précédemment " pensé " probablement dû à la domestication de B. subtilis au cours de ces 50 dernières années. Ce travail reflète non seulement, l'importance de l'utilisation de souches non-domestiques dans la caractérisation des voies de régulation de la compétence chez B. subtilis, mais aussi la portée du choix de modèle biologique dans l'étude de phénomènes biologiques complexes.


  • Résumé

    Bacillus subtilis, a Gram-positive soil bacterium, can enter into several developmental pathways such as sporulation, biofilm formation and competence development for DNA transformation when it becomes limited for essential nutrients. During competence, cells do not divide, are tolerant to antibiotics and competent cells express more than a 100 genes. The competent state has been named the K-state after its master regulator ComK. In B. subtilis, the entry into the K-state is stochastically determined by the activation of the transcription factor ComK and occurs, in the domesticated strains of B. subtilis, in approximately 15% of the population. The emergence from genetically identical cells of two distinct subpopulations (competent cells and non-competent cells) is known to be a classic survival strategy for bacteria, known as bet-hedging. Regulation of entry into the K-state has been intensively studied and is well understood; however, the reasons why undomesticated isolates of B. subtilis are poorly transformable compared to the domesticated strains remained unexplained. We show here that fewer cells enter the K-state, suggesting that some regulatory pathway limiting its expression has been lost in the domesticated backgrounds. We demonstrate that this is largely due to an inactivating point mutation in the degQ promoter region resulting in a decrease of the amount of DegQ. DegQ is known to stimulate phosphate transfer from the DegS autokinase to its cognate response regulator DegU. A low level of DegQ thus decreases the concentration of the phosphorylated form of DegU, leading to the de-repression of the srfA operon, which increases the amount of ComS leading to the stabilization of ComK. Thus, in domesticated strains of B. subtilis, more cells reach the concentration threshold of ComK needed to activate the positive auto-regulatory loop of ComK acting on its own promoter. We also show that the activation of srfA transcription in undomesticated strains is transient, as it is turned off when cells enter the stationary phase. Taken together, these data indicate that the K-state and transformability are less frequent and more transient in the undomesticated strains of B. subtilis. Consideration of the regulatory mechanisms and the fitness advantages and costs of the K-state must from now on take these features into consideration. These results underscore that our understanding of real-life biology requires the use of wild isolates.


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  • Sous le titre : Identification of a new regulatory pathway for the K-State in bacillus subtilis
  • Détails : 1 vol. (142 p.)
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