Multiples mécanismes de régulation post-transcriptionnelle chez les bactéries : des structures d’ARN messager aux ARN régulateurs

par Jonathan Jagodnik

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé. Microbiologie

Sous la direction de Claude Chiaruttini et de Maude Guillier.

Soutenue le 15-09-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Expression génétique microbienne (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Marc Nadal.

Le jury était composé de Claude Chiaruttini, Maude Guillier, Marc Nadal, Pascale Romby, Lionello Bossi, Éric Massé, Philippe Delepelaire.

Les rapporteurs étaient Pascale Romby, Lionello Bossi.


  • Résumé

    Chez les bactéries, la régulation de l’expression génétique est fondamentale pour permettre une adaptation optimale à l’environnement. De nombreux contrôles existent, notamment au niveau post-transcriptionnel par de nombreux ARN régulateurs (sRNA pour « small RNAs »). Ceux-ci ciblent des ARN messager (ARNm), permettant une régulation rapide de la synthèse de protéines. Le plus souvent, ces sRNAs interagissent avec leur(s) cible(s) au niveau du site de fixation du ribosome (RBS pour « ribosome binding site »), entrant dès lors en compétition avec le ribosome pour la fixation à l’ARNm et entraînant une régulation négative de l’expression des gènes cibles. Pour autant, il existe de nombreux mécanismes alternatifs de régulation par les sRNA. Nous avons ainsi pu démontrer que les deux sRNAs OmrA et OmrB, conservés au sein des entérobactéries, répriment la synthèse du récepteur FepA aux complexes fer-entérobactine en ciblant une structure de l’ARNm fepA. Cette structure en tige-boucle est située en aval du RBS de fepA, et de façon surprenante, elle contrôle positivement la synthèse de FepA via une activation de la fixation de la sous-unité 30S du ribosome à l’ARNm. Des structures similaires ont pu être prédites dans d’autres ARNm, à l’image de bamA, codant la sous-unité essentielle du complexe Bam d’adressage des protéines de membrane externe en tonneaux β. Comme pour fepA, la tige-boucle de l'ARNm bamA favorise la fixation du ribosome, suggérant que ce mécanisme de régulation pourrait être bien plus général du fait de la grande conservation de bamA au sein des bactéries à Gram négatif. De surcroît, ces résultats constituent la première illustration que les structures d'ARNm peuvent avoir un effet positif sur la traduction. Par ailleurs, deux autres sRNAs répriment également et indépendamment l’expression de fepA, à savoir SdsR et RseX. A chaque fois, le mécanisme de régulation impliqué est différent. Ainsi, SdsR s’apparie vraisemblablement à deux régions différentes de l’ARNm fepA, impliquant notamment une compétition classique avec la fixation du ribosome. La répression par RseX nécessite quant à elle la présence d’autres séquences du 5’UTR de fepA, à plus d’une centaine de nucléotides (nts) en amont du RBS. Enfin, chacun de ces sRNAs semble répondre à des stimuli différents, ce qui enrichit considérablement notre connaissance des signaux contribuant à la régulation de fepA, dont jusqu’ici seule la carence en fer était connue comme un signal de dérépression par le facteur de transcription Fur. Ce travail est une nouvelle illustration de l’immense diversité des mécanismes de régulation impliquant des ARN, dont la grande flexibilité de structure et de séquence constitue une importante source de diversité à la disposition de l’évolution

  • Titre traduit

    Multiple post-transcriptional regulatory mechanisms in bacteria : from mRNA structures to regulatory RNAs


  • Résumé

    In order to perfectly adapt to their environment, bacteria require a tight gene expression regulation. This can occur through post-transcriptional control by numerous regulatory RNAs (or small RNAs, sRNAs). These sRNAs can target mRNAs, leading to a fast regulation of protein synthesis. Most often, sRNAs base-pair with their target mRNAs at the ribosome binding site (RBS), therefore competing with the ribosome for the binding with the mRNA and repressing gene expression. However, many other regulatory mechanisms involve sRNAs. We have demonstrated that the two sRNAs OmrA and OmrB, conserved among enterobacteria, repress the synthesis of the FepA receptor for iron-enterobactin complexes through base-pairing with a secondary structure within fepA mRNA. This stem-loop structure is located downstream of fepA RBS, and most surprisingly, promotes 30S ribosomal subunit binding to fepA mRNA, therefore activating FepA synthesis. Similar stem-loop structures have been predicted in other mRNAs, such as the bamA mRNA encoding the essential subunit of the Bam outer membrane protein assembly complex. As for fepA mRNA, the stem-loop found in bamA mRNA also promotes ribosome binding, showing that this regulatory mechanism could be widespread considering the strong conservation of bamA among Gram negative bacteria. Moreover, these results challenge the commonly admitted view of mRNA secondary structures being repressors of gene expression. Two other sRNAs also repress fepA expression in an OmrA/B-independent fashion, namely SdsR and RseX. For each of these sRNAs, the regulatory mechanism involved is different. Indeed, SdsR most likely acts through two distinct binding sites, one of which leading to a classical competition with the ribosome binding. Meanwhile, RseX repression requires most of fepA 5’UTR, including sequences at about 100nt upstream of the start codon. Finally, each of these sRNAs is expressed upon diverse stimuli, considerably extending our knowledge of the signals leading to fepA regulation, for which only the Fur-dependent derepression upon iron starvation was known. This work highlights the great versatility of regulatory mechanisms involving RNAs. This illustrates how RNAs structural flexibility and sequence diversity is a key source of diversity for evolution


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