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Version PDF      Régulation de L'Expression Génétique


  Responsable : Danchin Antoine (adanchin@hkucc.hku.hk, adanchin@pasteur.fr)


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La génomique s'apparente à la cryptographie : comment comprendre un texte écrit dans une langue inconnue ? Champollion réussit à déchiffrer les hiéroglyphes grâce à l'écriture simultanée du même texte sur la Pierre de Rosette. Les travaux de l'Unité s'inspirent de cette approche en comparant les textes de couples de génomes. L'exploitation de la mine d'information que représente la connaissance complète des génomes a concrétisé un objectif précis, conçu au cours du programme de séquençage, comprendre le lien qui existe entre l'architecture des génomes et l'architecture cellulaire.



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Les travaux de l'Unité de Génétique des Génomes Bactériens (GGB, membre de l'URA 2171 du CNRS) sont fondés sur un projet à long terme, celui de comprendre comment les gènes bactériens fonctionnent collectivement. L'exploitation de la mine d'information que représente la connaissance complète du texte des génomes a concrétisé un objectif précis, constitué peu à peu au cours du programme de séquençage, celui de comprendre le lien qui existe entre l'architecture des génomes et l'architecture cellulaire. Ce lien repose sur une conjecture simple, qui fait l'hypothèse qu'en première approximation il est possible de considérer les cellules comme organisant des procédures d'assemblage, et sont en quelque sorte des " machines de Turing ", les ancêtres conceptuels des ordinateurs. Mais comme ces ordinateurs produisent des machines semblables, ils ont à faire face à un paradoxe noté par le mathématicien John von Neumann, qui leur impose d'avoir quelque part une image de la machine. Il est donc naturel de rechercher si cette image ne se trouve pas dans le génome lui-même. L'objectif des travaux de l'Unité est d'explorer cette hypothèse en combinant systématiquement des expériences in vivo et de la façon neuve créée par l'avènement des oridinateurs " in silico ".

1. Comment la bactérie modèle Bacillus subtilis utilise le soufre

Le projet de séquençage du génome de Bacillus subtilis tentait de comprendre le rôle, s'il existe, de la répartition des gènes dans le chromosome, par rapport à leur expression temporelle et architecturale. Une réflexion approfondie a identifié le métabolisme des polyamines, et surtout le métabolisme du soufre comme des sondes particulièrement sensibles des liens possibles entre architecture génomique, architecture cellulaire et expression génétique. Le soufre, dans ce domaine, est un élément privilégié en raison de sa très grande réactivité, qui en fait un élément particulièrement sensible à toutes les pressions de sélection et sujet à une importante compartimentation dans la cellule.

Malgré sa présence universelle (toutes les protéines commencent par un résidu soufré) le soufre a été un élément peu étudié (en raison des difficultés intrinsèques des expériences associées), mais la connaissance de tous les gènes d'un génome, en parallèle avec des techniques efficaces de modification des gènes in situ, permet de renouveler la question. Les travaux de l'Unité ont donc consisté, d'abord, à mettre en place la problématique, puis à déterminer les voies principales de l'anabolisme puis du catabolisme des molécules soufrées chez B. subtilis. Dans un deuxième temps les premiers éléments de régulation ont été mis au jour. L'utilisation systématique de la nouvelle " biologie à grande échelle " (analyse du protéome et du transcriptome) a permis d'étudier la régulation globale en réponse à la disponibilité en soufre dans le milieu et d'identifier de nouveaux gènes intervenant dans le métabolisme du soufre. Toutes les étapes de la synthèse des polyamines ont été identifiées, et en particulier celles qui sont liées au métabolisme du soufre. Cela a conduit les chercheurs de l'Unité, (et du HKU Pasteur Research Centre, créé dans le même temps par le chef de l'Unité) à caractériser complètement le cycle de récupération de la méthioninequi, à partir de la S-adénosylméthionine, régénère la méthionine par recyclage sans oxydation du S-méthylthioribose. Cette voie est très orIginale, et l'une des enzymes impliquées, très voisine de la ribulose-bisphosphate-carboxylase (RuBisCo), l'enzyme la plus abondante sur terre, responsable de la fixation du gaz carbonique par les plantes, conduit à s'interroger à la fois sur le concept de recrutement d'activités enzymatiques dans les chemins métaboliques au cours de l'évolution, et sur l'origine même de la RuBisCo.

La conclusion de ces travaux est que les bactéries de la même classe que B. subtilis (c'est le cas de nombreuses bactéries pathogènes, de l'agent du charbon, en particulier) se comportent différemment des entérobactéries, non seulement dans la régulation des voies correspondantes (ce qui est habituel, car les régulations se conservent peu au cours de l'évolution), mais dans les réactions métaboliques elles-mêmes. Cela donne un intérêt particulier à leur étude, en fournissant des pistes intéressantes pour l'identification de cibles antibiotiques totalement nouvelles (brevet déposé). Leur ressemblance avec les Archébactéries est par ailleurs tout à fait notable. Il s'agit d'une observation importante dans le débat actuel qui entoure l'origine des celles sans noyau.

2. Organisation du chromosome et contrôle de l'expression génétique (Entérobactéries)

Malgré de très nombreux travaux, par des laboratoires du monde entier, l'architecture chromosomique bactérienne est très mal connue, de même que son lien avec l'expression génétique et avec l'architecture cellulaire. Outre B. subtilis, le modèle privilégié est Escherichia coli (du fait de l'immense connaissance mondiale à son sujet), mais, afin de replacer les expériences dans un contexte biologique intégré, les expériences sont comparées aux résultats obtenus avec d'autres bactéries apparentées, et en particulier avec le modèle Photorhabdus luminescens, choisi parce qu'il vit en cultures pures en milieu sauvage et interagit avec des hôtes très bien identifiés (un nématode et des larves d'insectes)..

Plus spécialement, c'est la protéine H-NS, dont la fonction, malgré de très nombreuses études dans le monde depuis trente ans, n'est toujours pas connue qui a fait l'objet des études les plus approfondies. Cette protéine interagit avec des acides nucléiques ARN ou ADN (ou les deux) mais son rôle dans l'architecture du chromosome, directe ou indirecte, est incompris. Une étude phylogénétique poussée est destinée à glâner des hypothèses sur sa fonction à partir d'organismes vivants dans des milieux très variés (à froid en particulier, puisqu'il s'agit d'une protéine du " choc froid "), et son rôle dans la cellule (en particulier au moyen de techniques à grande échelle, transcriptome et protéome) a été assoicé à l'analyse de chocs acides ou de croissance en milieu acide. Ces études ont démontré une relation forte avec la gestion des protons par la cellule. La cible préférentielle de son action paraît être l'ARN, dans des conditions qui restent à élucider. A côté de son rôle de régulateur négatif nous avons mis en évidence un rôle positif de la protéine, analysé aussi par génomique comparative.

3. Génomes in silico

Un élément essentiel de l'activité de l'Unité est l'intégration entre la prédiction in silico (analyse génomique) et les réalisations expérimentales. De nouvelles bases de connaissance permettant à la fois d'enrichir systématiquement les annotations génomiques, et de les relier aux données de la biologie à grande échelle (étude du transcriptome) ont été construites. Grâce à cette organisation de la connaissance il a été possible d'étudier le texte génomique en détail et de découvrir bon nombre de propriétés nouvelles, en particulier de son évolution. Une observation importante est le rôle majeur, non soupçonné jusque là, du métabolisme dans la formation du texte génomique lui-même. Tout se passe comme si l'on avait un jeu fini, et limité des objets qui représentent l'alphabet à quatre lettre du texte génomique, et que cela contraignait ce qui peut être écrit. Mais les approches in silico ont aussi servi à explorer l'organisation du chromosome lui-même et de proposer des hypothèses sur la façon dont les gènes y sont répartis, en relation avec l'architecture cellulaire. Cela a permis la prédiction d'objets particuliers dont l'étude expérimentale va commencer, pour valider ou infirmer les hypothèses proposées.

Figure 1 : Une nouvelle voie métabolique, le recyclage de la méthionine

Figure 2 : Les larves de moustique sont sensibles a une toxine de Photorhabdus luminescens caractérisée au laboratoire.

Mots-clés: génomique fonctionnelle, organisation du chromosome, métabolisme du soufre, transcriptome, protéome



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