Analyse comparative des facteurs de transduction des signaux contrôlant la régulation du cycle cellulaire chez les alpha-protéobactéries – CASTACC

Du fait de la présence de plusieurs niveaux de régulation dans le circuit du cycle cellulaire, la compréhension globale du réseau ne s’obtiendra que par une approche multidisciplinaire. L’analyse génétique des mutants, la purification des protéines pour reconstituer in vitro les cascades de phosphorylation, la localisation des facteurs dans la cellule en utilisant une molécule fluorescente et la biologie structurale sont essentiels dans ce projet pour comparer les circuits de régulation chez les deux espèces.

CASTACC a commencé à révéler differents aspects uniques du cycle cellulaire de S. meliloti comparé à C. crescentus. De plus la machinerie du cycle cellulaire de S. meliloti est également impliqué dans le processus d’infection des plantes ouvrant ainsi des perspectives interessantes vers la possibilité de contrôler le processus bénéfique de la symbiose.

Chez les organismes vivants, le cycle cellulaire est le processus le plus important pour produire de nouvelles cellules. La connaissance de cet aspect fondamental de la biologie peut être intéressant à la fois pour augmenter la croissance des bactéries bénéfiques et pour tuer les pathogènes au cours des infections, en mettant au point de nouveaux antibiotiques spécifiques.

- Pini Francesco, De Nisco Nicole, Ferri Lorenzo, Penterman Jon, Fioravanti Antonella, Brilli Matteo, Mengoni Alessio, Bazzicalupo Marco, Viollier Patrick H, Walker Graham C, Biondi Emanuele G. (2015) Cell cycle control by the master regulator CtrA in Sinorhizobium meliloti. PLoS Genetics, 15;11(5):e1005232.
- Mohapatra SS, Fioravanti A, Biondi EG (2014) DNA methylation in Caulobacter and other Alphaproteobacteria during cell cycle progression. Trends in Microbiology, 22:528-535.
- Francesco Pini, Benjamin Frage, Lorenzo Ferri, Nicole J. De Nisco, Saswat S. Mohapatra, Lucilla Taddei, Antonella Fioravanti, Frederique Dewitte, Marco Galardini, Matteo Brilli, Vincent Villeret, Marco Bazzicalupo, Alessio Mengoni, Graham C. Walker, Anke Becker and Emanuele G. Biondi (2013) The essential DivJ/CbrA kinase and PleC phosphatase system controls DivK phosphorylation and symbiosis in Sinorhizobium meliloti. Mol. Micro, 2013. 90(1):54-71.
- Fioravanti A., Coralie Fumeaux, Saswat S. Mohapatra, Coralie Bompard, Matteo Brilli, Antonio Frandi, Vincent Castric, Vincent Villeret, Patrick H. Viollier, Emanuele G. Biondi (2013) DNA binding of the cell cycle transcriptional regulator GcrA depends on N6-adenosine methylation in Caulobacter crescentus and other Alphaproteobacteria PLOS Genetics, Accepted.
- Fioravanti A, Clantin B, Dewitte F, Lens Z, Verger A, Biondi EG, Villeret V. Structural insights into ChpT, an essential dimeric histidine phosphotransferase regulating the cell cycle in Caulobacter crescentus. Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2012 Sep 1;68(Pt 9):1025-9. doi: 10.1107/S1744309112033064. Epub 2012 Aug 29. PubMed PMID: 22949187; PubMed Central PMCID: PMC3433190.

La compréhension du contrôle du cycle cellulaire est une question fondamentale en biologie. Chez les bactéries, plusieurs organismes modèles ont été étudiés afin de mieux comprendre cette régulation complexe. Parmi ces modèles, Caulobacter crescentus est définitivement un des cas les plus intéressants. Chez Caulobacter, la progression du cycle cellulaire est principalement contrôlée par des protéines appartenant à des systèmes appelés systèmes à deux composants qui, dans cette bactérie, représentent les acteurs principaux des processus de transduction des signaux. Le régulateur essentiel du cycle cellulaire chez C. crescentus est CtrA, un régulateur de réponse activé par la phosphorylation de la cascade CckA-ChpT. Néanmoins, l’activité de CtrA est réprimée par le système à deux composants DivJ-DivK, probablement par une délocalisation dynamique du pôle cellulaire. Un autre système inhibant CtrA a également été identifié et est composé de la protéase ClpPX et d’autres facteurs, comme le régulateur de réponse CpdR. Tant l’inhibition par DivK que la protéolyse sont contrôlées par CtrA, qui active la transcription de divK lui-même et plusieurs gènes de la dégradation protéolytique, créant un mécanisme redondant de rétrocontrôle négatif.
La conservation de ce circuit de régulation a été étudiée chez les alpha-protéobactéries, où CtrA est présent, en utilisant des outils bioinformatiques. Cette étude a révélé que la logique du circuit de régulation est conservée chez les bactéries apparentées à Caulobacter ; cependant, l’architecture de ces circuits peut varier significativement d’un organisme à l’autre. L’analyse expérimentale de la variabilité de l’architecture de régulation du cycle cellulaire chez différents organismes, ainsi qu’une analyse moléculaire et mécanistique de la régulation du cycle cellulaire dans cette famille de bactéries sont des aspects inconnus qui requièrent à présent une investigation approfondie.
Dans ce projet, je propose d’analyser systématiquement les composants principaux des réseaux de régulation contrôlant le cycle cellulaire de Sinorhizobium meliloti, qui est également un organisme modèle appartenant à la famille des alpha-protéobactéries et qui partage la logique de régulation du cycle cellulaire de C. crescentus. Les avancées obtenues dans ce projet, générées par des approches multidisciplinaires, seront expérimentalement comparées avec les données accumulées chez C. crescentus. Afin de mieux comprendre la machinerie du cycle cellulaire au niveau moléculaire, les facteurs et complexes qui pilotent la progression du cycle cellulaire seront également étudiés par des approches de biochimie et de biologie structurale.
Plus spécifiquement, l’analyse des principaux facteurs du cycle cellulaire chez S. meliloti sera menée par la création de mutants, par marquage fluorescent de chaque gène et par l’étude biochimique des protéines exprimées. De plus, notre objectif est de comparer au niveau génétique la fonctionnalité de chaque facteur, en cross-complémentant la délétion et chaque surexpression de chaque gène chez S. meliloti avec les orthologues issus de C. crescentus. Cette approche donnera des indications au sujet de la conservation de ces facteurs entre différents organismes et montrera comment leur activité est régulée dans différents systèmes. Afin de déchiffrer, au niveau moléculaire, les aspects mécanistiques du cycle cellulaire chez les alpha-protéobactéries, un autre objectif sera d’étendre notre connaissance des facteurs du cycle cellulaire chez C. crescentus et S. meliloti, en élucidant en particulier les aspects structuraux des facteurs clés contrôlant le cycle cellulaire chez ces bactéries, aspects qui sont à ce jours inconnus.