Expression génique aléatoire et variabilité phénotypique dans l’adaptation de la levure – NOISYEAST

Nous avons utilisé une approche de génomique pour identifier les séquences conférant un niveau de bruit élevé dans le génome de la souche de levure Saccharomyces cerevisiae œnologique séquencée EC1118. Une banque d'ADN génomique fusionnée à une protéine fluorescente verte a été créée. La population de levures contenant cette banque ont été enrichie en séquences conférant un niveau de bruit élevé grâce à plusieurs étapes de sélection fluctuante basée sur l'expression de la protéine fluorescente grâce au tri cellulaire (sept étapes de tri avec alternativement les cellules les plus ou les moins fluorescentes qui sont conservées). L'analyse de clones individuels a révélé un tel enrichissement et 98 fragments génomiques donnant un bruit élevé dans l'expression ont été séquencés.

La plupart des fragments génomiques séquencés correspond à des gènes de la réponse au stress ou relatifs à d'autres facteurs environnementaux. L'analyse de ces fragments révèle de nombreuses variations génétiques par rapport à leur équivalent dans la souche de laboratoire séquencée S228c. Nous avons sélectionné certains de ces fragments pour une étude approfondie car nous faisons l'hypothèse que ces variations pourrait générer des différences de niveau de bruit. En effet, de telles variations entre souches de levures S cerevisiae pourraient avoir été sélectionnées grâce au bénéfice conféré par une hétérogénéité d'expression dans les conditions stressantes et fluctuantes fréquemment rencontrées par les souches technologiques. Nous avons montré qu'au moins pour un gène, les variations génétiques génèrent bien plus de bruit.

Ce travail identifie pour la première fois des variations génétiques naturelles chez la levure qui confèrent des niveaux de bruit dans l'expression différents. Ce résultat renforce l'hypothèse d'une adaptation possible par une modulation du niveau de bruit. Nous avons maintenant pour objectif de déterminer si une augmentation du bruit dans l'expression du gène que nous avons identifié confère une meilleur résistance et adaptation dans des conditions stressantes. Ceci pourrait mener à l'ingénierie génétique basée sur une modulation du bruit pour améliorer le comportement des levures lors de procédés industriels.

Conference orale : «Promoter-mediated transcriptional noise, phenotypic variability and budding yeast adaptation to environmental stresses«, Conference Gordon “Biological Mechanisms in Evolution”, Stonehill College, Juin 2013.

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L'objectif de ce projet est d’étudier le rôle de la variabilité de l’expression génique (due aux fluctuations stochastiques au niveau moléculaire) dans la réponse au stress et l’instabilité génétique. L’impact de cette variabilité sur la dynamique des populations est assez bien étudié à l’heure actuelle, et un accroissement de la stochasticité (bruit) dans l’expression génique est considéré comme une stratégie évolutive pertinente dans un environnement fluctuant. Nous souhaitons ici déterminer si un tel accroissement du bruit dans l’expression de certains gènes a pu constituer un moyen pour les souches de levures industrielles de s’adapter aux conditions fluctuantes auxquelles elles se trouvent confrontées. En effet, ces souches utilisées dans les procédés biotechnologiques sont beaucoup mieux adaptées que les souches de levures de laboratoire à la plupart des stress environnementaux. Dans la première parie de ce projet, nous nous concentrerons sur la souche oenologique de Saccharomyces cerevisiae EC1118 récemment séquencée (Novo et al. 2009), afin d’identifier les promoteurs qui présentent un bruit plus élevé dans cette souche par rapport à la souche de laboratoire non-adaptée S288c. Si en effet de telles différences de niveau de bruit sont détectées, nous étudierons leur impact sur la réponse au stress et l’adaptation aux environnements stressants, en particulier au niveau du « fitness » des souches concernées. Nous espérons par cette stratégie identifier de nouveaux déterminants de la résistance et de la tolérance au stress. Jusqu’à présent, aucune étude n’a établi de lien entre le bruit dans l’expression génique et la variabilité génétique. Cependant, comme tout phénotype, la maintenance de l’intégrité du génome est contrôlée et influencée par des gènes dont l’expression est soumise à des fluctuations stochastiques. La vitesse d’apparition de variations génétiques est donc susceptible d’être variable en raison des fluctuations stochastiques existant entre les cellules dans l’expression des gènes de réparation et de maintenance de l’ADN. Un niveau de bruit élevé dans l’expression des gènes impliqués dans la réparation des cassures double brin ou dans la réplication de l’ADN par exemple, pourrait conférer une grande hétérogénéité de vitesse d’apparition de variations génétiques entre les cellules d'une population, et ainsi favoriser l’émergence de sous-populations présentant une plus grande variabilité génétique en cas de stress, par une sélection de second-ordre (sélection indirecte de souches « mutatrices » grâce aux mutations favorables qu’elles génèrent et qui contrebalancent les possibles mutations délétères) (Capp, 2010). Dans la seconde partie de ce projet, nous avons pour but de déterminer si les souches de levures industrielles ont évolué vers un niveau de bruit plus élevé dans l’expression des gènes impliqués dans la réparation et la maintenance de l’ADN. Si tel est le cas, nous étudierons ensuite l’impact de différents niveaux de bruit dans l’expression de ces gènes sur la variabilité génétique en conditions sélectives.
Capp, J. P. (2010). Noise-driven heterogeneity in the rate of genetic-variant generation as a basis for evolvability. Genetics 185, 395-404
Novo, M., et al. (2009). Eukaryote-to-eukaryote gene transfer events revealed by the genome sequence of the wine yeast Saccharomyces cerevisiae EC1118. Proc Natl Acad Sci U S A 106, 16333-16338.