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     Génétique des Génomes Bactériens - URA 2171 CNRS


  Responsable : Antoine Danchin (adanchin@pasteur.fr)


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Nous recherchons les règles universelles de l'organisation des génomes. Après avoir étendu le concept d'essentialité d'un gène à celui de persistance, nous avons découvert que motifs universels, les motifs souples, couvrent les génomes. Nous avons aussi établi des règles universelles dans la répartition des acides aminés dans les protéines. Enfin, avec un consortium international et le Génoscope nous avons séquencé le génome d'une bactérie Antarctique, Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125, pour tenter de comprendre le développement à froid et le vieillissement.



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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, foisonnent de pistes pour mener 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.

Considérant un génome comme un tout, nous avons découvert que la cause du biais périodique énigmatique tous les 10-11,5 nucléotides du texte génomique, et présent dans presque tous les génomes, résulte de la présence universelle de motifs " souples ". Chaque motif est composé d'une dizaine de nucléotides conservés, répartis de façon discontinue. Ils n'avaient pas été trouvés jusqu'à présent du fait qu'étant souples, ils ne peuvent donner lieu à une séquence " consensus " du type habituellement considéré par ceux qui analysent les séquences génomiques. Nous avons par ailleurs étudié la compostion globale des protéomes (l'ensemble des protéines codées par un génome) de modèles procaryotes distants de plus d'un milliard d'années d'évolution. Au moyen d'analyses multivariées, nous avons montré que la charge électrique opposée à l'hydrophobicité crée un groupe homogène, composé exclusivement de protéines incluses dans la membrane cellulaire. Un deuxième biais est créé par le contenu en G+C du génome à la première position des codons, mettant en évidence que la fonction des protéines est très peu sensible à la composition en nucléotides du génome. Nous avons aussi découvert un rôle remarquable des acides aminés aromatiques. Les protéines " orphelines " (c'est-à dire uniques à une espèce donnée) sont enrichies en ces acides aminés, ce qui suggère qu'ils participent à la création de nouvelles fonctions au cours de l'évolution. Nous imaginons que ces protéines sont souvent des " gluons " stabilisateurs de complexes multiprotéiques, et qu'il étiquettent ainsi le " soi " de l'espèce. Toutes ces découvertes d'universaux donnent du poids à notre approche : les génomes ne sont pas des collections de gènes mais des ensembles organisés. Parmi les nombreux facteurs qui pourraient jouer un rôle sélectif dans cette organisation nous en avons retenu deux : la température et la réactivité chimique. L'étude du métabolisme du soufre a été retenue car cet atome est extrêmement réactif, alors qu'il est aussi un composant obligé des cellules, ne serait-ce que via la méthionine qui se trouve au début de la synthèse de toutes les protéines.

Pour notre étude, il faut, bien sûr, des modèles qui servent 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 précédente 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. Les chromosomes sont formés d'une double hélice d'ADN. Chez les bactéries, cette double hélice se réplique souvent à partir d'une unique origine. Mais cette réplication n'est pas, physiquement, la même pour un brin de l'hélice et pour l'autre brin. L'un des brins est répliqué de façon continue, au fur et à mesure que la double hélice s'ouvre pour permettre la réplication, alors que l'autre brin, qui se recopie dans l'autre sens, se réplique de façon discontinue. 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 et qui intervient dans la synthèse d'un régulateur essentiel le S-adénosylméthionine.

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 fréquente, 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). Au moyen de puces à ADN, nous avons ainsi caractérisé une série de systèmes de contrôle génétique (par les systèmes PhoP-PhoQ; AstR-AstS et H-NS) pour faire l'inventaire des clefs de la pathogénicité remarquable de cet organisme. Ce travail se poursuit 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 ailleurs terminé, en collaboration avec le Génoscope et les Universités de Hong Kong, Liège, Naples, Stockholm et Strasbourg 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 a été 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). Nous avons découvert une stratégie remarquable chez cet organisme pour éviter la formation de dérivés réactifs de l'oxygène, avec l'élimination concertée du métabolisme ubiquiste utilisant un composé soufré, la molybdoptérine, comme coenzyme. Cela renforce notre hypothèse d'un rôle important du métabolisme du soufre comme cible privilégiée des processus intégratifs chez les bactéries. Le protéome de P. haloplanktis manifeste un fort biais dans l'usage des acides aminés, spécifique des organismes psychrophiles, montrant un enrichissement relatif en asparagine, acide aminé qui tend à " vieillir " facilement via un processus de cyclisation et de déamidation. Cette observation révèle des possibilités biotechnologiques intéressantes de la croissance à très basse température pour éviter la fréquente déamidation des protéines au cours de la synthèse de protéines hétérologues (à intérêt pharmaceutique par exemple). Pour placer ce projet dans la perspective des développements des quatre prochaines années il peut être intéressant de remarquer que les moyens humains investis dans le séquençage et l'annotation de ce nouveau génome ont été cent fois moindres que ceux qu'il avait fallu mobiliser pour le séquençage de B. subtilis.

En dehors du métabolisme du soufre, nous avons depuis plusieurs années noté l'importance des structures biochimiques tendant à former des portions de plan (souvent des hexagones) ou des tubes dans la structuration des génomes et nous avions remarqué que l'uridylate kinase forme des hexagones. Par ailleurs les sources de nucléotides dans la cellule doient être hautement organisées, en particulier pour la synthèse de l'ADN. Le fait que les nucléoside diphosphates, pas les triphosphates sont les précurseurs des désoxyribonucléotides crée une série de paradoxes au sein du métabolisme des pyrimidines (c'est l'UDP qui est produit dans la synthèse des pyrimidines de novo, tandis que le CDP ne l'est pas, alors que l'ADN doit éviter le U et incorporer le C). Cela nous a incité à étudier le rôle structurant des nucléotide kinases. Nous avons déterminé la structure hexamérique de l'uridylate kinase, et découvert de nombreuses propriétés inattendues. Comme les uridylate kinases forment une classe particulière chez les bactéries il était intéressant de les comparer à d'autres nucléotide kinases : la structure dela GMP kinase a été aussi résolue. De façon étonnante, l'uridylate kinase est codée par un gène (pyrH) qui, chez des bactéries pourtant très distantes, appartient à un opéron spécifique du processus de traduction, alors qu'aucun nucléotide contenant de l'uracile n'a été jusqu'à présent impliqué dans ce processus : nous avons là une incitation supplémentaire à poursuivre notre étude.

Légendes des photos :

Les deux chromosomes de Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125, bactérie à croissance rapide isolée de la station Dumont d'Urville, dans l'Antarctique. Les cercles montrent (partant de l'extérieur): (1) les gènes transcrits dans la direction des aiguilles d'une montre; (2) les gènes transcrits en sens opposé. Les gènes sont coloriés en fonction des différentes catégories fonctionnelles auxquelles ils appartiennent. (3) ARN de transfert (vert) ARN ribosomiques (rose) dans le chromosome I chrI / gènes codant des protéines phagiques (rouge) dans le chromosome II; (4) et gènes tonB et tonB-like en gris. Les noms de gènes dans le chromosome II qui ressemblent à ceux qui codent l'appareil de réplication du plasmide R1 sont colorés en vert.

Mots-clés: génomique, vieillissement, entomopathogènes, peste, infections nosocomiales



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