Rôle de SigmaS dans la compétitivité et l’adaptation des bactéries à l’environnement – SIGMADAPT

Nous utiliserons des approches en biologie structurale, biochimie, biophysique, microbiologie, génétique et génomique fonctionnelle afin de répondre aux trois questions biologiques posées. Cette multidisciplinarité permettra d'analyser au plus près les mécanismes moléculaires impliqués tout en intégrant les données dans un schéma d'adaptation biologiquement pertinent.

- Nos données suggèrent que les protéines de la famille Crl partagent un mécanisme de fixation de sigmaS dans lequel les bras flexibles de Crl jouent un rôle dynamique (Biochem J 2014).
- Par ailleurs, nos résultats montrent un rôle important de SigmaS dans le remaniement de l’expression génique chez Salmonella en phase stationnaire. SigmaS a un impact majeur sur le métabolisme et la composition de la membrane interne, la protection contre le stress oxydatif et l’expression d’un grand nombre de gènes de fonction inconnue. La régulation négative par SigmaS semble axée sur des aspects métaboliques (cycle de Krebs…) et membranaires (porines, chaine respiratoire…). Nos études ont également permis de révéler des transcrits de petite taille qui sont très abondants en phase stationnaire de croissance et dont l'expression est très dépendante de SigmaS. Certains de ces transcrits correspondent à des ARN non codants et le contrôle de leur expression par SigmaS a été validé par des expériences de Northern (PloS One 2014).

L'identification de nouveaux mécanismes moléculaires orchestrés par SigmaS pourrait constituer une avancée majeure en terme de connaissances fondamentales et conduire à de nouveaux projets collaboratifs. Les connaissances originales qui seront acquises sur les capacités de persistance des bactéries pourraient également s'avérer utiles pour la conception de nouvelles stratégies anti-microbiennes.

- Lévi-Meyrueis C, Monteil V, Sismeiro O, Dillies MA, Monot M, Jagla B, Coppée JY, Dupuy B, Norel F. 2014. Expanding the RpoS/sS-network by RNA sequencing and identification of sS-controlled small RNAs in Salmonella. PLoS One. 9(5):e96918.

- Cavaliere P, Levi-Acobas F, Mayer C, Saul FA, England P, Weber P, Raynal B, Monteil V, Bellalou J, Haouz A, Norel F. 2014. Structural and functional features of Crl proteins and identification of conserved surface residues required for interaction with the RpoS/sS subunit of RNA polymerase. Biochem J. 463(2):215-24.

Chez les eubactéries, les facteurs sigma se fixent à l’ARN polymérase coeur (E), pour lui permettre d’initier la transcription à des promoteurs spécifiques. Le facteur sigmaS, codé par rpoS, est produit en fin de phase exponentielle ou en réponse au stress et contrôle l’expression d’un grand nombre de gènes impliqués dans la survie en phase stationnaire et la résistance au stress chez de nombreuses bactéries à Gram négatif. Il est également impliqué dans la formation de biofilms et la virulence de Salmonella enterica sérovar Typhimurium, un pathogène à large spectre d’hôte responsable chez l’homme de gastroentérites et de toxi-infections alimentaires. Les fonctions de presque la moitié des gènes contrôlés par sigmaS restent à découvrir.
Le projet SIGMADAPT a pour objectif l’analyse des mécanismes d’adaptation orchestrés par sigmaS. Trois aspects seront plus particulièrement étudiés :
i) Le mécanisme original de la régulation de l’activité de sigmaS par Crl. La protéine Crl régule l’expression génique en augmentant l’activité de sigmaS. Contrairement aux régulateurs transcriptionnels classiques, Crl ne se fixe pas à l’ADN mais se fixe à sigmaS. Les protéines connues qui se fixent à des facteurs sigma ont un effet négatif sur leur fonction. Au contraire, la fixation transitoire de Crl augmente l’affinité de sigmaS pour E et favorise ainsi la formation de l’holoenzyme E-sigmaS, responsable de la transcription du régulon sigmaS. Il s’agit donc d’un mécanisme unique, dans lequel Crl favorise probablement une conformation de sigmaS plus affine pour E. Notre objectif est de déterminer les bases moléculaires de ce mécanisme. Nous caractériserons les propriétés physico-chimiques et les structures tridimensionnelles de Crl, et de son complexe avec sigmaS, et nous identifierons les signaux environnementaux potentiellement transmis à sigmaS par Crl.
ii) Les mécanismes moléculaires responsables de la régulation négative de l’expression génique par sigmaS. Dans la cellule, les facteurs sigma sont en compétition pour leur fixation à E, présente en quantité limitante. Le facteur sigma majeur, sigma70, est essentiel à la croissance, tandis que sigmaS induit une adaptation au stress et réprime l’expression de gènes dépendant de sigma70, notamment de gènes impliqués dans la perméabilité membranaire et la croissance. Le dogme actuel est que la répression, par sigmaS, de l’expression de gènes dépendant de sigma70, est un effet passif dû à la titration de E. En désaccord avec ce dogme, nos résultats préliminaires suggèrent que sigmaS doit fixer l’ADN pour réguler négativement la transcription, probablement via l'activation de répresseurs. Cette hypothèse sera validée par des études transcriptomiques et l’identification des voies régulatrices impliquées dans le contrôle négatif par sigmaS du gène ompD codant la porine majeure de Salmonella et de l’opéron sdh impliqué dans le métabolisme du succinate.
iii) L’analyse fonctionnelle d’une famille de petites protéines (de moins de 10 kDa) dont l’expression est contrôlée par sigmaS (SCSPs). Ces protéines pourraient jouer un rôle majeur dans l’adaptation à l’environnement et la compétitivité des bactéries, en agissant à des étapes post-transcriptionnelles de l’expression génique, en aval de sigmaS et en réponse à des signaux environnementaux variés. Des études systématiques, physiologiques, biochimiques et moléculaires permettront de révéler la fonction des SCSPs dans des mécanismes d’adaptation orchestrés par sigmaS chez Salmonella et leurs partenaires d’interaction potentiels. La caractérisation de ces petites protéines, susceptibles de jouer un rôle important dans des fonctions cellulaires diverses, notamment en tant qu’adaptateurs ou chaperones s’inscrit dans une thématique émergente de l’analyse fonctionnelle des génomes.