Impact des Recombinases et Transposases à simple brin sur la Dynamique des Génomes – MOBISING

Le projet inclut des approches expérimentales de génériques, biochimiques, biophysiques et structurales pour étudier l’impact de ces éléments sur la dynamique des génomes. Ces analyses sont renforcées par une étude bioinformatique pour explorer les cibles, la diversité et la distribution de ces éléments « HuH ». En particulier, étude phylogénétiques des séquences REP et des enzymes TnpAREP fourniront des informations importantes sur leur évolution.

Nous avons obtenu quelques résultats encourageants dans parties concernant des REP et des ISCR. Le volet analyse phylogénétiques des REP est bien progressé également.

Ce projet va fournir une vue globale sur le rôle de la recombinaison médiée par des enzymes HuH dans la plasticité génomique et l’évolution ainsi qu’une description détaillée des mécanismes adjacents.

Michael Chandler1*, Fernando de la Cruz2, Fred Dyda3, Alison B. Hickman3, Gabriel Moncalian2, Bao Ton-Hoang1. Breaking and joining single-stranded DNA: the HUH endonuclease superfamily. Nature Reviews Microbiology, July 2013.

Les éléments transposables (ET) jouent un rôle fondamental dans la plasticité et l'évolution des génomes. Ils sont extrêmement variés et peuvent représenter une grande partie des génomes procaryotes. Ces éléments codent une enzyme, la transposase (Tpase) qui catalyse les réactions indispensables pour leur mobilité. Les séquences d'insertion (IS) sont les ET les plus compacts mais aussi les plus nombreux: plus de 3700 IS différentes sont répertoriées dans notre base de données ISfinder, nombre en constante augmentation. Outre la participation directe dans la mobilité des ET, des Tpases eucaryotes ont été domestiquées pour accomplir diverses fonctions cellulaires. Chez les procaryotes, une telle domestication n'a pas encore été décrite. Ce projet a pour objectif d'étudier le rôle central dans la structuration et la plasticité des génomes bactériens d'un groupe d’ET fonctionnellement apparentés, appelé éléments de type « HuH ». Nous avons caractérisé la transposition d’une famille répandue d'IS (la famille IS200/IS605) très différente des IS classiques. En effet, ces IS utilisent uniquement des intermédiaires ADN simple brin pour leur mobilité. Elles possèdent des extrémités portant des structures palindromiques, reconnues par leur Tpase. Ces Tpases font partie de la grande famille des nucléases « HuH » comprenant les protéines Rep (la réplication en cercle roulant), les relaxases (le transfert conjugatif) et les Tpases de la famille IS91. Elles partagent le motif HuH indispensable pour la coordination de cofacteur métallique et utilisent des résidus Tyrosine pour la catalyse. De manière remarquable, les sites de clivage ne sont pas reconnus directement par la protéine, mais par une séquence « guide » localisée en 5' du pied du palindrome. Cette reconnaissance inhabituelle implique des appariements canoniques et non-canoniques, similaires à ceux observés dans les structures d'ARN. Nous avons démontré l’importance du brin retardé de la fourche de réplication pour la transposition de certains membres de la famille IS200/IS605 et notre analyse génomique in silico suggère que tous ces éléments utilisent, pour leur mobilité, de l’ADN simple brin au niveau de la fourche de réplication. Certains membres de ce groupe semblent avoir été domestiqués pour remplir des fonctions importantes chez les bactéries: une « homing » endonucléase chez certains introns du groupe I (IStron) ou encore une enzyme supposée être responsable de la prolifération de palindromes inter-géniques en multicopies (REP/BIME) chez de nombreuses bactéries. Chez d'autres éléments comme les ISCR, les Tpases sont deux fois plus grandes que celles codées par la famille IS200/605 mais sont fonctionnellement apparentées. Ces éléments ont récemment été considérés comme des acteurs majeurs dans la capture et la transmission des résistances multiples aux antibiotiques chez les bactéries. Nous allons étudier les mécanismes moléculaires utilisés par ces enzymes HuH et leur impact sur l’évolution des génomes bactériens. Notre projet est divisé en quatre parties complémentaires: 1) la description détaillée du mécanisme de transposition d'IS608, comprenant le ciblage des fourches de réplication et la dynamique du transposome simple brin, l’ensemble des complexes nucléoprotéiques qui assurent la transposition; 2) la compréhension du rôle des « Tpases domestiquées » dans la mobilité des IStrons et dans l'expansion des séquences REP/BIME; 3) l'exploration de la transposition des ISCR pour obtenir des informations sur la capture des gènes et 4) le développement et l'exploitation d’ISfinder pour une annotation de haute qualité des génomes bactériens pour ces éléments à enzyme HuH. Ces résultats permettront d'obtenir une vision détaillée de l’impact des éléments HuH sur la plasticité des génomes bactériens. Ceci devrait fournir une base solide pour des études ultérieures sur la régulation des activités de ces éléments et leur intégration dans la physiologie cellulaire.