Structure des chromosomes bactériens revélée a haute résolution – HiResBaCS

The HiResBaCS project proposes a dedicated strategy, based on recent advances in 1) the so-called “synthetic genome” field 49,50, 2) in SRM and 3) in statistics and modeling to enhance the resolution at which a chromosome structure can be measured and described. These tools will support a genetic deconvolution approach that should allow us to address specific structuring questions independently of environmental noise. First, we will design and assemble large DNA regions dedicated to high resolution Hi-C. The basic pattern of these redesigned chromosomal regions will be a 3C-optimized design. The pertinence of this approach has been validated in budding yeast Saccharomyces cerevisiae as described in the preliminary result section of the proposal (RK, unpublished). The redesigned region will constitute a convenient “chassis” for “plug-and-play” experiments. For instance, we will introduce gene desert(s) where structuring can be analyzed independently from gene expression. Second, we will introduce in bacteria a new labeling method, called oligopaint, which will be combined with super-resolution microscopy. This method will allow painting large (replichores or macrodomains) or small (selected plectonemes) entire regions, and characterizing their localization with respects to specific landmarks. Third, HiResBaCS will rely on genetics and molecular biology experiments to analyze chromosome folding and its consequences in various genetic backgrounds, growth conditions or cell cycle steps. Finally, HiResBaCS will rely on powerful biostatistics and mathematical modeling to interpret in quantitative framework our experimental data.

HiresbacS vise à identifier les facteurs impliqués dans la formation des TAD bactériens, à dévoiler les mécanismes moléculaires de formation et de régulation de la structure des TAD, et à étudier l'interaction entre les structures des TAD et d'autres processus de gestion de l'ADN tels que la ségrégation, la réplication et la régulation des gènes. Nous avons développé une stratégie unique et intégrée qui s'appuiera sur la génétique, la biologie synthétique, la génomique, la microscopie avancée et la modélisation physique. Tout d'abord, nous avons caractérisé les propriétés biophysiques des plasmides naturels et des petites molécules d'ADN circulaires excisées du chromosome. Ces expériences ont révélé l'interaction entre les systèmes de partition et l'activité des nucléoïdes, c'est-à-dire la structuration et l'expression (Planchenault et al, 2020 ; Guilhas et al 2020). Ensuite, nous avons étudié l'interaction entre l'expression des gènes et le repliement des chromosomes (un manuscrit impliquant les 4 groupes impliqués dans les Hiresbacs est en préparation). Troisièmement, nous avons étudié la relation entre la topologie de l'ADN et le repliement des chromosomes (un manuscrit impliquant les groupes RK et OE est en préparation). Quatrièmement, nous avons développé des outils de biologie synthétique, d'imagerie et d'analyse pour améliorer la résolution de la définition de la structuration des chromosomes bactériens (Muller et al 2018, Cardozo-Gizzi, Mol Cell 2019 ; Cardozo Gizzi, Nature Protocols, 2020, Le Gall, et al, 2017, Matthey-Doret et al. 2020, Carron et al. 2019). Les résultats des HiResBaCs sont pertinents pour l'étude de l'organisation des chromosomes chez les bactéries et les mammifères, ainsi que pour comprendre les rôles de la structure de l'ADN dans l'infection et la différenciation des bactéries. Les méthodes développées dans HiResBaCS seront, en outre, intéressantes pour de nombreux autres domaines de la biologie.

At short term, our objectives are to complete synthesis and integration of the synthetic chromosome region. We would like to quantitatively understand the structuring that emanates from transcription bubbles. An ANR HiresbaCS funded post doc involved in these aspects and the characterization of new chromosomal structuring features revealed by super resolution HiC will be hired during the fall 2017 in the Mozziconacci group (UPMC). We will start to investigate chromosme dynamics related to replication and segregation in B. subtilis.

Lioy VS, Cournac A, Marbouty M, Duigou S, Mozziconacci J, Espéli O, Boccard F, Koszul R.Multiscale Structuring of the E. coli Chromosome by Nucleoid-Associated and Condensin Proteins. Cell. 2018 Feb 8;172(4):771-783.e18.

Muller H, Scolari VF, Agier N, Piazza A, Thierry A, Mercy G, Descorps-Declere S, Lazar-Stefanita L, Espeli O, Llorente B, Fischer G, Mozziconacci J, Koszul R.
Characterizing meiotic chromosomes' structure and pairing using a designer sequence optimized for Hi-C. Mol Syst Biol. 2018 Jul 16;14(7):e8293.

Planchenault C, Pons MC, Schiavon C, Siguier P, Rech J, Guynet C, Dauverd-Girault J, Cury J, Rocha EPC, Junier I, Cornet F, Espéli O. Intracellular Positioning Systems Limit the Entropic Eviction of Secondary Replicons Toward the Nucleoid Edges in Bacterial Cells. J Mol Biol. 2020 Feb 7;432(3):745-761.

El Sayyed H, Espéli O. Mapping E. coli Topoisomerase IV Binding and Activity Sites. Methods Mol Biol. 2018;1703:87-94. doi: 10.1007/978-1-4939-7459-7_6.

Cardozo Gizzi AM, Espinola SM, Gurgo J, Houbron C, Fiche JB, Cattoni DI, Nollmann M.
Direct and simultaneous observation of transcription and chromosome architecture in single cells with Hi-M. Nat Protoc. 2020 Mar;15(3):840-876.

Cardozo Gizzi AM, Cattoni DI, Fiche JB, Espinola SM, Gurgo J, Messina O, Houbron C, Ogiyama Y, Papadopoulos GL, Cavalli G, Lagha M, Nollmann M.Microscopy-Based Chromosome Conformation Capture Enables Simultaneous Visualization of Genome Organization and Transcription in Intact Organisms. Mol Cell. 2019 Apr 4;74(1):212-222.e5.

Le Gall A, Cattoni DI, Nollmann M. Imaging of Bacterial Chromosome Organization by 3D Super-Resolution Microscopy. Methods Mol Biol. 2017;1624:253-268.


Carron, L., Morlot, J. B., Matthys, V., Lesne, A., & Mozziconacci, J. (2019). Boost-HiC: computational enhancement of long-range contacts in chromosomal contact maps. Bioinformatics, 35(16), 2724-2729