Institut Pasteur Rapport d'activité de l'unité Régulation de l'Expression génétique pour l'année 1999

CNRS URA 2171


Responsable : Danchin Antoine (adanchin@pasteur.fr)

Résumé du rapport

L'Unité de Régulation de l'Expression Génétique a pour objectif de comprendre comment les gènes coopèrent dans la cellule pour lui permettre de fonctionner harmonieusement tout en s'adaptant à un environnement sans cesse changeant. Un moyen d'y parvenir est d'étudier le génome d'organismes modèles. Le séquençage de génomes entiers, l'identification par hybridation sur des supports à haute densité de tous les produits de transcription (puces à ADN) et l'identification par électrophorèse bidimensionnelle des protéines présentes dans la cellule placée dans des conditions particulières donnent un accès direct au comportement cellulaire dans sa globalité. L'ensemble de la génétique en est désormais totalement bouleversée, car une nouvelle image de la cellule se fait jour. Au delà des molécules, le concept de macromolécules a été à la base de la biologie moléculaire, qui nous a permis de comprendre les premiers éléments des régulations cellulaires. Aujourd'hui la connaissance des génomes, la génomique, conduit à identifier une échelle supérieure, celle de complexes entre macromolécules, et dont la taille est de l'ordre de 10 à 50 nanomètres. C'est à cette échelle que la cellule s'organise, et relie la structure de son chromosome, à l'ordre des gènes et à l'architecture de la cellule. L'étude de grands pans du métabolisme nous permet d'avoir accès aux premières propriétés globales de ces édifices supramacromoléculaires.

Abstract

The Regulation of Gene Expression Unit investigates how the thousands of genes in the chromosome of a cell co-operate in an organised manner. Two model micro-organisms are used: E.coli, the most long-standing genetic model; and Bacillus subtilis, a source of numerous enzymes used by industry which is often found on the surface of leaves, and abundant in soil. The studies developed in the Unit identify the genes which are critical to the overall adaptation of the bacterium to its environment, and are particularly investigating the metabolism of molecules essential for the cell's construction, that of sulfur and polyamines. Two-dimensional gel electrophoresis of all the proteins in the bacteria is used to describe the co-variations in the concentrations of particular proteins as a function of the growth status of the bacteria, their environment and changes in the genes studied. Associated to the analysis of the whole set of transcripts together with analysis of the genome sequences, typical of the new field of research now called "genomics", this approach provides a wealth of information. It has shown that there are large groups of genes within the cell that are regulated in the same way. A mass of information is generated by sequencing genomes, and many of the newly identified genes are enigmatic in nature. Thus, molecular genetic studies in the Unit are being complemented by research involving the most up-to-date techniques in computer data management, statistics and mathematics. Specialised databases have been constructed in collaboration with the University of Paris 6 and the University of Versailles (they are available on the World-Wide Web: http://genolist.pasteur.fr/SubtiList/, http://genolist.pasteur.fr/Colibri/ and http://indigo.genetique.uvsq.fr). Biological and naturalist aspects of the work are being emphasised, to identify the major functions of the living organism. In particular, the first analyses of the genomes has led to a remarkable observation: the order of genes on the chromosome is not random, but relates to the cell's architecture. Indeed, the genome structure is much more constrained than usually assumed, and there are experimental hints suggesting that the map of the cell may be directly related to the chromosome structure, with gene islands specific of metabolic pathways. The first results of the in vivo, in vitro and in silico investigations aiming at understanding the selection pressure that underlies these architectural constraints suggest the systematic existence of supra-macromolecular complexes, within the 10-50 nanometer scale.

Texte du rapport

Génomique soustractive et métabolisme du soufre et des polyamines (P. Bertin, F. Biville, I. Martin-Verstraete) Deux modèles microbiens sont étudiés au laboratoire, par deux approches génétiques et une approche informatique (l'expérimentation "in silico" qui utilise les ordinateurs de façon complémentaire aux approches traditionnelles in vivo et in vitro). La première consiste à étudier, chez Escherichia coli et Bacillus subtilis par les méthodes de la génétique moléculaire, l'expression collective des gènes liés au métabolisme des complexes entre les ARN et les protéines, et en particulier à celui de molécules qui les stabilisent, les polyamines. Ce métabolisme est fortement associé à un métabolisme encore peu exploré, celui du soufre. Son étude est désormais une priorité du laboratoire. Comme l'a bien montré la Pierre de Rosette, et parce qu'un génome peut être assimilé à un texte (écrit dans un alphabet à quatre lettre), la comparaison entre les génomes modèles, et ceux d'organismes apparentés, mais suffisamment éloignés, permet, à partir de l'analyse du texte génomique, d'extraire la signification du texte: caractérisation des gènes et de leurs dispositifs de contrôle. Du point de vue expérimental, les travaux envisagés vont de la physiologie bactérienne à la physico-chimie de composants révélés par les études physiologiques et génétiques. Un accent particulier a été mis sur les transitions qui se produisent lors du transport de métabolites ou de cofacteurs comme le fer ou les dérivés soufrés, et les changements d'oxygénation de la cellule. Cela a conduit le laboratoire à étudier les propriétés régulatrices d'un gène impliqué chez E. coli dans un très grand nombre de phénomènes (y compris la virulence bactérienne), hns. Et cette étude a été approfondie chez des bactéries voisines comme l'agent du choléra, Vibrio cholerae. La deuxième approche génétique développée dans l'unité a exploité la séquence compléte de nombreux génomes bactériens afin d'identifier certaines des règles de construction et de cohérence des textes génomiques. L'analyse in silico a révélé que, contrairement à une idée répandue, les génomes sont contraints par des règles très strictes. Par ailleurs, l'analyse simultanée d'un grand nombre de gènes des deux modèles du laboratoire, E. coli et B. subtilis, par hybridation moléculaire de l'ensemble de leurs transcrits (transcriptome), et par électrophorèse bidimensionnelle, l'ensemble des produits de traduction (protéome) a mis en évidence un rôle particulier du gène hns dans la réponse de la bactérie à un environnement acide (ce qu'elle a à subir dans l'estomac, mais aussi du fait du système de défense de l'hôte), et a permis d'identifier de nouveaux gènes impliqués dans le métabolisme du soufre. Par ailleurs, chez B. subtilis, le métabolisme des polyamines a été déchiffré, et une parenté inattendue avec le règne des archéobactéries a été mise en évidence. Au cours de ces travaux de nombreuses fonctions essentielles à la vie de la bactérie ont été identifiées et caractérisées. De façon intéressante ces deux approches très différentes — l'une part de l'isolement de mutants bactériens de E. coli, altérés dans leur aptitude à coordonner l'expression de nombreux gènes, et l'autre part de la détermination de la séquence totale du génome de B. subtilis — ont été convergentes. En effet les travaux menés dans l'unité ont mis en évidence l'existence de particularités de l'organisation génétique, à l'échelle du chromosome entier mais aussi plus localement, qui permettent de comprendre comment agissent des mutations étudiées individuellement chez E. coli et B. subtilis. Le plan de la cellule est dans le chromosome (C. Médigue, I. Moszer) Tous ces travaux demandent une approche informatique élaborée. En collaboration avec l' Université de Versailles Saint Quentin, l'Université Paris VI et l'INRIA à Grenoble, l'unité a mis en place une méthodologie originale permettant l'analyse in silico des génomes. Pour cela c'est l'analyse par "voisinage" comme aide à la découverte qui est privilégiée. Par voisinage on entend toute proximité d'un gène avec un autre gène, au travers de son produit, des métabolites qu'il transforme, de l'usage qu'il fait du code génétique, de leur relation dans la littérature, du produit de leur charge électrique, de leur proximité sur le chromosome, etc. Par ailleurs l'Unité a continué à développer ses bases de données spécialisées, pour mettre à la disposition de la communauté internationale les annotations revues et validées concernant les génomes modèles. Ainsi, SubtiList donne la connaissance régulièrement mise à jour du génome de B. subtilis (http://genolist.pasteur.fr/SubtiList/). Elle inclut désormais les corrections de la séquence effectuées après prédiction in silico de régions probablement erronées, et reséquençage direct de ces régions par PCR à partir du chromosome. Colibri (http://genolist.pasteur.fr/Colibri/) celui de E. coli. Enfin, le site Indigo (http://indigo.genetique.uvsq.fr), permet une approche par voisinage de ce qu'on connaît de ces deux génomes. Cette approche a permis de prédire de nouvelles fonctions biologiques à partir de l'analyse du texte génomique. En particulier, l'analyse détaillée de l'organisation des gènes dans le texte génomique suggère qu'il est loin d'être au hasard, et qu'en réalité le plan de la cellule, de son architecture, est dans le chromosome lui--même. Le retour à l'étude du métabolisme intermédiaire (en particulier celui du soufre et des polyamines) indique qu'il existe un regroupement significatif des gènes de fonction apparentées. Ce regroupement montre qu'il existe très probablement dans la cellule des structures organisées, à une échelle supra-macromoléculaire (10 à 50 nanomètres), qui construisent l'architecture cellulaire, et réalisent la compartimentation nécessaire à l'expression harmonieuse du métabolisme.

Personnel de l'unité

Secrétariat de l'unité

Annie Beaudeux

Chercheurs de l'unité

Phillippe Bertin (CR IP)
Francis Biville (CR IP)
Jean-Yves Coppée (Postdoc, Kybernétikê) Antoine Danchin (DR CNRS, Pr IP)
Thierry Fandeur (Chef de Laboratoire, IP) réseau des Instituts Pasteur Isabelle Guillouard (Postdoc, BACELL)
Isabelle Martin-Verstraete (MC, Paris 7) Claudine Médigue (CR CNRS), Evry
Ivan Moszer (Assistant IP)
Marina Perrotte (ATER, UVSQ)

Stagiaires de l'unité

Hélène Argence (DEA Rouen)
Sandrine Auger (bourse, MENRT)
Stéphanie Bocs (bourse, MENRT), Evry
Nathalie Da (DEA Paris)
Florence Hommais (CDD, industrie)
Sandrine Moreira (DESS Rouen 75% formation, Kybernétikê) Eduardo Rocha (Bourse du gouvernement portugais), ABI Olga Soutourina (Bourse franco-russep, industrie) Christian Tendeng (Bourse, MENRT)

Autre personnel de l'unité

Annie Beaudeux (secrétaire)
Evelyne Krin (IE, CNRS)
Cecilia Fabry (IE, INRA)
Pierrick Roger (CDD, Ingénieur), INRIA Grenoble Odile Sismeiro (80%, technicienne, IP)
Evelyne Turlin (technicienne, IP)

Publications de l'unité

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