Erreurs et corrections : plasticité de l’expression génétique chez Escherichia coli

Errors and edits : plasticity in Escherichia coli’s gene expression

• Auteur / Autrice : Ernest Mordret
• Direction : Yitzhak Pilpel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie. Biologie computationnelle
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de colloïdes et matériaux divisés (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Cosson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yitzhak Pilpel, Bertrand Cosson, Olivier Namy, Rachel Green, Ariel Lindner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Namy, Rachel Green

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ribosomes

Amino acyl-tRNA synthetases

Spectrométrie de masse

Biosynthèse des protéines

Traduction génétique

Mots clés libres

Plasticité

Taux d’erreurs

Translation

Plasticity

RNA

Protein

Error Rates

Ribosome

Aminoacyl-tRNA synthetase

Mass spectrometry

Résumé

La transmission de l’information génétique est généralement décrite comme un processus déterministe. Malgré leur sophistication, les machineries moléculaires en charge de l’expression génétique fonctionnent grâce à des réaction chimiques stochastiques par nature, et ne sont pas à l’abri d’erreurs, dont un organisme vivant peut choisir de minimiser les effets, ou au contraire de les utiliser à son avantage. Je présente dans ce manuscrit deux études illustrant ces deux possibilités. Dans un premier temps, nous avons développé une nouvelle méthodologie nous permettant de détecter un grand nombre de misincorporation d’acides aminés à travers le proteome d’Escherichia coli, à l’aide de données de spectrométrie de masse. Ces erreurs réagissent de manière dynamique à des perturbations environnementales telles que la privation d’un acide aminé ou la présence d’antibiotiques visant le ribosome. De plus, nous démontrons que la cellule encode ses protéines d’une manière qui minimise leurs effets délétères. Dans une deuxième étude, nous montrons que l’édition d’ARN messagers n’est pas restreinte aux Eukaryotes. Escherichia coli utilise le surplus d’activité d’une enzyme modifiant l’adenosine d’un anticodon d’ARNt en inosine, afin de modifier la séquence codante d’une toxine, accentuant en retour le phénomène de persistance bactérienne. Finalement, nous avons mesuré les fréquences relatives des différents variants d’une banque de séquences afin de déterminer les effets de mutation synonymes sur le taux de croissance et l’expression protéique.

Transmission of genetic information from DNA to proteins is not as rigid as one may think. Despite their marvelous sophistication, the machines at the core of the central dogma rely on chemical processes and complex interactions, and are not exempt from errors, that organisms can either choose to mitigate, or use to their own advantage. I will present a pair of studies which reflect the two sides of this dichotomy. First, we developed a new methodology which allowed us to detect a large number of amino acid misincorporations within the proteome of Escherichia coli from high precision mass spectrometry data. We show that these errors are mostly the result of a competition between cognate and non cognate tRNAs in the ribosome, and that they respond dynamically to environmental perturbations, such as amino acid starvation and anti ribosome drugs. Furthermore, we demonstrate that cells tend to encode their proteins in a way that minimizes the deleterious effects of translation errors. In a second study, we discovered that mRNA editing is not restricted to eukaryotes, but is present in bacteria. We found that Escherichia coli exploits a tRNA adenosine to inosine editing enzyme to stimulate bacterial drug persistence through the recoding of a toxin’s mRNA. In a third study, we monitored the evolution of a large library E. coli cells to measure the effects of synonymous substitutions on protein production and fitness.