Unité: Génétique des Génomes Bactériens

Responsable: Antoine DANCHIN

En collaboration avec le Genoscope (CNRS) à Evry, les Universités de Liège et de Naples, l'Unité de Génétique des Génomes Bactériens a déterminé la séquence et annoté le génome d'une bactérie de l'Antarctique, Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125. En parallèle ses chercheurs ont continué l'étude du métabolisme du soufre chez Bacillus subtilis, et résolu plusieurs questions posées à propos du transport des molécules soufrées. Ils ont aussi, en collaboration avec l'Université de Lausanne et l'Institut de Recherche et de Technologie de Nara, au Japon, caractérisé la voie de recyclage de la méthionine chez nombre de bactéries. Les recherches in silico de l'Unité (où ce sont des ordinateurs qui constituent le dispositif expérimental) ont permis la caractérisation de nombreuses contraintes sélectives responsables de l'organisation des gènes dans les génomes bactériens. Par ailleurs l'approche in silico a conduit à caractériser des propriétés universelles de la répartition des acides aminés dans les protéines. L'ensemble de ce travail vise à transformer la biologie après le séquençage génomique en une " biologie symplectique " (syn: ensemble, plektein, tisser), où les liens entre objets consitueront le cœur des découvertes à venir.

Plutôt que de considérer le matériel héréditaire comme une simple collection de gènes, l'objet de la génomique est de comprendre l'organisation fonctionnelle des gènes au sein des chromosomes et comment cela concourt à produire le phénomène de la vie. Les bactéries, du fait de leur existence très ancienne (plus de trois milliards d'années d'évolution) et de leur remarquable variété, sont des sujets exceptionnellement adaptés à cette étude. Comprendre comment les gènes interagissent permet de mieux cerner le potentiel adaptatif des bactéries, à la fois dans l'environnement et avec nous-mêmes (elles sont partout, et représentent, sur, et dans notre corps, plus de dix fois le nombre de nos propres cellules). Malgré leur connotation négative, la vogue de l'aliment " médicament " repose sur l'idée implicite que les bactéries sont le plus souvent bénéfiques, même si, à l'occasion, elles peuvent devenir hautement pathogènes. Curieusement, il y a peu de différences entre des bactéries commensales et des bactéries causes de maladies. L'un des objets de la génomique comparative est de tenter de comprendre comment les différences qu'on observe au niveau de l'organisation des génomes peuvent conduire de l'innocuité (ou du bénéfice pour l'hôte) à la virulence.

Pour cela, il faut, bien sûr, des modèles qui puisssent servir de référence, où l'on puisse connaître de l'organisme pratiquement tout ce qui est possible. Deux grandes classes de bactéries jouent un rôle dans ces domaines (bénéfique ou maléfique) ; elles se distinguent par une coloration spécifique, due au Danois Christian Gram. Les bactéries à coloration de Gram positive sont courantes dans l'alimentation (Lactobacilles, Streptocoques du yaourt, de la charcuterie, etc) ; elles sont aussi parfois pathogènes (Staphylocoque doré). Leur modèle, dont l'Unité a été le moteur de l'étude génomique, est Bacillus subtilis. Nos recherches actuelles tentent de comprendre comment ses gènes sont organisés, à la fois par une étude informatique (in silico), fondée sur l'analyse du texte (la séquence) des gènes, et de leurs produits (des protéines et des ARN), et par l'étude d'un métabolisme très structurant, le métabolisme du soufre. Dans un premier temps, nous avons établi un certain nombre de règles forçant les gènes à préférer un brin de l'ADN plutôt que l'autre. Ces règles proviennent d'une pression de sélection qui favorise le fait que l'avancée de la fourche de réplication se fasse avec la même orientation que la transcription, évitant ainsi les conflits qui conduiraient souvent à la formation d'ARN messagers tronqués, et donc de protéines tronquées. Le métabolisme du soufre, quant à lui, est groupé en îlots fonctionnels, dont nous avons caractérisé récemment principalement les gènes codant les protéines de transport, ainsi que certains régulateurs de leur expression. Nous commençons désormais à étendre notre étude à des organismes pathogènes de la même classe. Nous avons aussi caractérisé une voie peu connue, celle du recyclage de l'acide aminé méthionine (par lequel les protéines de tous les organismes vivants commencent), dont nous avons montré qu'il conduit parfois à la synthèse d'un gaz inattendu, le monoxyde de carbone, qui pourrait donc être un signal intercellulaire encore incompris.

Les bactéries à coloration de Gram négative, quant à elles, ont pour modèle Escherichia coli, qui est, encore aujourd'hui, l'organisme le mieux connu au monde. Nous avons développé, au travers d'un Programme Transversal de Recherche, l'analyse de familles de ces bactéries pour tenter de comprendre ce qui fait la différence entre celles qui sont bénéfiques et celles qui ne le sont pas (la colibacillose est une maladie bien connue, qui a pour agent certaines souches de E. coli, par exemple). Mais pour comprendre mieux son caractère pathogène nous avons utilisé une bactérie apparentée, Photorhabdus luminescens, extraordinairement pathogène pour les insectes (et qui serait très dangereuse pour l'Homme si elle pouvait croître à la température de notre corps, ce qui n'est heureusement pas le cas). Nous avons ainsi caractérisé une série de systèmes de contrôle génétique pour faire l'inventaire des clefs de la pathogénicité remarquable de cet organisme. Ce travail sera poursuivi aux cours des prochaines années, en utilisant le ver à soie comme sujet de l'expérience. L'un des intérêts particuliers de cette approche est de ne pas à avoir à utiliser de mammifères pour l'étude de la virulence bactérienne, tout en obtenant nombre de résultats extrapolables chez ces animaux. Pour explorer les contraintes physiques qui s'exercent sur la construction des génomes, l'Unité a par ailleur terminé, en collaboration avec le Génoscope et les Universités de Liège et de Naples le programme de séquençage et d'étude du génome d'une bactérie de l'Antarctique Pseudoalteromonas haloplanktis TAC 125, appartenant à la même famille des gamma-protéobactéries. La séquence du génome est analysée pour tenter de comprendre en quoi le froid contraint la répartition et la composition des gènes (cette bactérie est la bactérie connue qui croît le plus rapidement à basse température). Les travaux de l'Unité explorent aussi les possibilités biotechnologiques intéressantes de la croissance à très basse température.

A ce stade des études génomiques il est essentiel de comprendre où les produits des gènes se répartissent dans la cellule. L'étude de l'uridylate kinase par le groupe d'Anne Marie Gilles a déjà donné d'intéressantes informations à ce propos (la structure tridimensionnelle de la protéine est en cours de publication).

Une partie importante du travail de l'Unité consiste par ailleurs à organiser les données de la connaissance génomique que nous obtenons sur les bactéries, et nous avons poursuivi à Hong Kong (où nous restons à la tête d'un programme financé par le gouvernement de Hong Kong) la construction de la famille Genochore de bases de données bactériennes de référence (http://bioinfo.hku.hk/genochore.html) : 17 génomes sont ainsi disponibles, y compris celui d'un petit organisme eucaryote, le parasite Encephalitozoon cuniculi.

Enfin, l'année 2004 a vu se développer l'analyse de l'épidémie de pneumonie atypique (Syndrome Respiratoire Aigü Sévère) et nous avons participé, avec le consortium d'épidémiologie du GuangDong (coordonné par le Pr Guoping Zhao, du Centre de Génomique de Shanghai) à l'étude moléculaire des caractéristiques de l'épidémie. Les résultats correspondants, très instructifs (et qui sont entièrement compatibles avec l'hypothèse de la double épidémie que nous avions formulé en 2003), seront publié au début de l'année 2005.

Légende de la photo :

Culture de Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125 vue en microscopie électronique

Mots-clés: génomique, métabolisme du soufre, nucléotide kinases, in silico, bases de données


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