Etudes in vitro, in vivo et in silico de la régulation transcriptionnelle par le surenroulement chez les bactéries – SuperTrxn

Ce projet étudie le rôle du surenroulement de l'ADN dans la régulation de la transcription bactérienne grâce à une approche intégrée combinant des études in vitro, in vivo et in silico. Des travaux récents suggèrent que l'état de surenroulement de l'ADN peut influencer la cinétique de transcription et moduler la corrélation entre plusieurs molécules d'ARN Polymérases (RNAP) au sein et entre les unités de transcription (TU) voisines. Comme la transcription génère également des supertours, l'interaction complexe à double sens entre les supertours et la transcription introduit un nouveau type de régulation basée sur l’ADN, au-delà de la régulation classique basée sur les protéines, dans de nombreux organismes. Dans les domaines topologiques chromosomiques, le surenroulement peut ainsi coupler la dynamique d'expression des TU voisines et influencer l'expression des gènes et la physiologie cellulaire.
Malgré des progrès remarquables concernant l’effet du surenroulement de l'ADN sur la transcription, il manque une description quantitative de son rôle dans la régulation de la cinétique de transcription et des corrélations transcriptionnelles. Dans ce travail, les partenaires américain et français combineront leur expertise en recherche expérimentale sur la transcription bactérienne et la modélisation théorique du surenroulement de l'ADN et de la transcription pour remplir trois objectifs : (1) caractériser l'impact du surenroulement sur la cinétique de transcription et la corrélation entre TUs en utilisant l'imagerie in vitro de molécules uniques; (2) caractériser la manière dont les domaines topologiques chromosomiques affectent la corrélation entre gènes à l'aide de l'imagerie in vivo de molécules uniques; (3) modéliser et simuler la régulation de la transcription par le surenroulement à toutes les échelles de longueurs et de temps de la transcription.
Ce travail fournira des connaissances significatives sur un nouveau type de régulation de la transcription, indépendant de la fixation et dissociation des facteurs de transcription. (1) Il produira des mesures fines sur la cinétique de transcription, l'interaction dynamique entre molécules RNAP et TU voisines via le surenroulement de l'ADN, ainsi que sur l'impact des domaines topologiques chromosomiques sur ces cinétiques. Ces mesures quantitatives et systématiques sont rendues possibles grâce à l’imagerie innovante de molécules uniques, in vitro et in vivo. (2) Ce travail développera un cadre théorique exhaustif décrivant la régulation quantitative de la transcription par le surenroulement de l'ADN, depuis les énergies d'appariement des bases d'ADN jusqu'à la propagation du surenroulement à plusieurs kilobases, et capable de prédire la coordination/antagonisme des molécules RNAP et des TU voisines selon la formation de domaines topologiques et l'activité des topoisomérases. (3) L'intégration étroite entre expérimentation et modélisation permet la calibration et l'ajustement itératifs du modèle, permettant d'orienter les plans expérimentaux, les tests de validation et l'interprétation. En cas de succès, cette étude fera progresser considérablement le domaine de la régulation de la transcription bactérienne et mettra en lumière la relation quantitative entre la topologie du chromosome et l’expression des gènes.