Etude d’un réseau génétique intégrant métabolisme central carboné et réplication de l’ADN chez la bactérie Bacillus subtilis

A genetic network integrating central carbon metabolism and DNA replication in Bacillus subtilis

• Auteur / Autrice : Hamid Nouri
• Direction : Laurent Jannière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et Biologie Moléculaire
• Date : Soutenance le 18/06/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Gènes, Génomes, Cellules (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie systémique et synthétique (Evry)
• Jury : Président / Présidente : Marc Nadal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Jannière, Marc Nadal, Bianca Sclavi, Ivan Matic, Stéphane Aymerich, Etienne Dervyn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bianca Sclavi, Ivan Matic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle cellulaire microbien

Bacillus subtilis

Bactéries -- Métabolisme

ADN -- Réplication

Mots clés libres

Contrôle de la réplication

Bacillus subtilis

Métabolisme Central Carboné

Cycle cellulaire

QPCR

.ppGpp

ADN polymérase

Réplisome

Control of replication

Bacillus subtilis

Central carbon metabolism

Cell cycle

QPCR

.ppGpp

DNA polymerase

Replisome

Résumé

La réplication de l’ADN est une fonction cellulaire responsable de la duplication du matériel génétique. Elle est assurée par un complexe protéique appelé réplisome. Ce processus est hautement régulé en fonction des conditions de croissance cellulaire. Durant cette thèse je me suis intéressé principalement au contrôle de la réplication par le Métabolisme Central Carboné (MCC) et, dans une moindre mesure, au fonctionnement du réplisome chez la bactérie modèle Bacillus subtilis. J’ai analysé la réplication de l’ADN dans des mutants métaboliques, par deux techniques ; la QPCR et la cytométrie en flux. Mes analyses révèlent que la réplication de l’ADN est dérégulée dans des cellules mutées dans les cinq dernières réactions de la glycolyse et dans celles affectées dans des réactions connectant cette petite région du métabolisme aux autres réactions du MCC (haut de la glycolyse, voie des pentoses phosphate et cycle de Krebs) et au milieu extérieur (voies overflow qui éliminent les métabolites du MCC produits en excès). J’ai constaté que dans ces mutants la réplication commence plutôt et dure plus longtemps que dans une souche sauvage. L’ensemble de ces résultats montre que les réactions situées au cœur du MCC sont importantes pour assurer un bon contrôle temporel de la réplication. J’ai aussi établi que le ppGpp, une petite molécule fonctionnant comme une alarmone de l’état nutritionnelle des cellules, ne joue pas un rôle déterminant dans le contrôle de la réplication par le métabolisme dans des cellules à l’état d’équilibre. L’ensemble de nos connaissances actuelles sur les réplisomes repose essentiellement sur les données accumulées à partir de la dissection du réplisome de la bactérie modèle Escherichia coli et des phages T4 et T7. Chez Bacillus subtilis, deuxième modèle bactérien le mieux connu et représentant des Gram+ à faible GC%, il existe deux ADN polymérases essentielles à la réplication : PolC et DnaE. Nous avons montré que DnaE, comme PolC, fait partie du réplisome. Nos études fournissent une explication moléculaire à la spécialisation de DnaE dans la synthèse du brin d’ADN discontinu. En conclusion, nos résultats montrent que les réplisomes bactériens ont beaucoup plus évolué qu’attendu tant dans leur composition protéique que dans leur organisation et leur fonctionnement. Ils montrent également, et pour la première fois, que le contrôle temporel de la réplication dépend de réactions situées au cœur du MCC chez B. subtilis. Ces données et d’autres de la littérature suggèrent que cette propriété pourrait être universelle et pourrait jouer un rôle important dans la carcinogenèse.

DNA replication is a central cellular function for the duplication of the genetic material. A protein complex that is called replisome carries out this function. The process of replication is highly regulated with respect to cell growth conditions. During my thesis I was primarily interested in the control of replication by the central carbon metabolism (CCM) and to a lesser extent, to the functioning of the replisome in the bacterium Bacillus subtilis. The thesis studied the DNA replication in metabolic mutants by employing two techniques; QPCR and flow cytometry. The analyses showed that DNA replication is deregulated in cells that carry the following mutations: First, cells with mutations in the last 5 reactions of glycolysis. Second, cells with mutations in the reactions that connect the last part of glycolysis to the other parts of CCM (upper part of glycolysis pathway, pentose phosphate and Krebs cycle). Third, cells mutated in the overflow genes (channels that eliminate overflow metabolites produced in excess in CCM). The results demonstrate that in these mutants the replication begins and lasts longer than in the wild strain. All of these results show that the reactions that are centrally located to the CCM are important to ensure a correct control of replication timing. I also found that the ppGpp, a small molecule that functions as an alarmone of nutritional state in the cells, does not play a decisive role in the control of replication by metabolism in cells in steady state. The current knowledge of replisomes is mainly based on accumulated data from the dissection of the replisome of the model bacterium Escherichia coli and the phages T4 and T7. Bacillus subtilis is the second well studied bacterial model, a representative of Gram+ low GC%, it carries –unlike E. coli- two essential DNA polymerases for replication: PolC and DnaE. The thesis showed that DnaE as PolC form a part of the replisome in B. subtilis and provide a molecular explanation to the specialization of DnaE in the synthesis of the DNA lagging strand. In conclusion, the results show that there is much more diversity in the protein composition, organization and functioning of replisomes in bacteria than it is expected. In addition, the thesis concluded for the first time that the temporal control of replication depends on reactions located in the heart of CCM in B. subtilis. This property, in combination with other data from the literature, suggests that it could be universal and play an important role in carcinogenesis.