Propriétés uniques des petits ARNs régulateurs bactériens dans les réseaux transcriptionnels et le contrôle traductionnel – UnifyRNA

Ce projet est centré principalement sur l'étude du rôle des boucles de rétrocontrôle médiées par des sRNAs dans l'expression génique et la définition des régulons des sRNAs. Les travaux de plusieurs groupes ont précédemment démontré que les sRNAs régulent souvent l'expression de gènes codant des régulateurs transcriptionnels (TR), souvent dans un motif de type boucle de rétrocontrôle, c'est à dire que la synthèse du sRNA est elle-même controlé par le TR. Cependant, les effets de ces régulations restent encore mal compris. En nous appuyant sur l'exemple du rétrocontrôle qui existe entre les sRNAs OmrA et OmrB et le TR OmpR, nous étudierons (i) le rôle de ce rétrocontrôle dans l'expression génique et (ii) les modules de régulation d'OmrA et OmrB, qui incluent les gènes régulés de facon indirecte par ces sRNAs via leurs effets sur les niveaux d'OmpR. Ces études feront appel à des analyses de l'expression génique à l'échelle du génome, ainsi que des approches de génétique moléculaire et de biochimie, et notamment l'étude de la phosphorylation in vivo des régulateurs des SDC. Nous prévoyons aussi d'élucider certains des mécanismes de régulation mis en jeu pour les sRNAs s'appariant à leurs ARNm-cibles en dehors de la région de démarrage de la traduction.

Nous avons pour le moment caractérisé en détail le rétrocontrôle qui existe entre le SDC EnvZ-OmpR et les sRNAs OmrA et OmrB. En particulier, nous avons montré que, de facon assez inattendue, la transcription d'OmrA et OmrB sRNAs était activée non seulement par la forme phosphorylée d'OmpR (OmpR-P), mais également par sa forme non phosphorylée. Malgré le fait qu'EnvZ-OmpR soit un paradigme des SDC, c'est la première fois qu'un rôle de la forme non-phosphorylée d'OmpR dans l'expression génétique est mis en évidence. De plus, le contrôle de l'expression de l'opéron ompR-envZ par OmrA ou OmrB diminue bien le niveau total d'OmpR mais, en accord avec la robustesse de ce SDC décrite précedemment, n'affecte pas le niveau d'OmpR-P. Ainsi, OmrA/B n'ont pas d'effet sur les cibles d'OmpR comme ompC ou ompF (qui codent pour les porines majeures d'E. coli) qui répondent seulement à OmpR-P, mais ces sRNAs peuvent par contre limiter leur propre synthèse en diminuant les niveaux d'OmpR non phosphorylé. Ces résultats sont maintenant publiés (Brosse et al., Nucleic Acids Research, 2016).

Les sRNAs et les systèmes à deux composants sont deux types de régulateurs très répandus chez les bactéries et qui, le plus souvent, agissent respectivement au niveau post-transcriptionnel et transcriptionnel. En plus d'EnvZ-OmpR, d'autres systèmes à deux composants ont été décrits comme étant régulés par des sRNAs et, à l'avenir, il sera intéressant de déterminer si ce que nous avons trouvé pour le système EnvZ-OmpR et OmrA/B s'applique aussi à ces autres systèmes.

Publications:

Jagodnik J., Brosse A., Le Lam TN., Chiaruttini C. and Guillier M., 2016, Mechanistic study of base-pairing small regulatory RNAs in bacteria, Methods, in press, doi: 10.1016/j.ymeth.2016.09.012.

Brosse A., Korobeinikova A., Gottesman S. and Guillier M., 2016, Unexpected properties of sRNA promoters allow feedback control via regulation of a two-component system, Nucl. Acids Res., 44(20): 9650-9666.

Jagodnik J., Thieffry D. and Guillier M., 2016, Bacterial small RNAs in mixed regulatory circuits, book chapter in «Stress and Environmental Control of Gene Expression in Bacteria«, edited by Frans de Bruijn (publisher Wiley-Blackwell), in press.


Participation to meetings:

Sept. 2016 81st Harden Conference: RNA and disease, Winchester, UK. - Presenter: M. Guillier (Talk)

August 2016 Molecular Genetics of bacteria and phages meeting, Madison, Wisconsin, USA - Presenter: J. Jagodnik (Poster)

July 2016 Gordon Research Conference “Microbial Stress Response”, Mount Holyoke college, South Hadley, MA, USA. - Presenter: M. Guillier (Poster)

March 2016 10th SifrARN (Structure, Integration, Function and Reactivity of RNA molecules) meeting, Toulouse, France. - Presenters : A. Brosse (Poster), J. Jagodnik (Poster)

Dec. 2015 «Regulating with RNA in Bacteria and Archaea« conference, Cancun, Mexique. - Presenters: M. Guillier (Talk), J. Jagodnik (Poster).

Oct. 2015 EMBL Symposium «New approaches and concepts in microbiology«, EMBL, Heidelberg, Germany. - Presenter: M. Guillier (Poster).

Les bactéries sont des organismes très versatiles qui ont la faculté de pouvoir s’adapter à de nombreux changements de leur environnement, grâce à leur incroyable capacité à réguler leur expression génétique. Le premier niveau de contrôle à avoir été identifié est celui de la transcription des gènes et à l’heure actuelle, le réseau de régulations transcriptionnelles de bactéries modèles comme E. coli par exemple a été caractérisé en détails, même si, de par sa complexité, certains aspects sont encore obscurs. Parmi les régulateurs transcriptionnels les plus répandus, on trouve les systèmes à deux composants (SDC), qui permettent la détection et l’adaptation des bactéries à leur environnement via l’activation par phosphorylation d’un régulateur.
Cependant, il est clair que le contrôle de l’expression génétique peut également se faire au niveau post-transcriptionnel. En particulier, on sait depuis longtemps que l’expression des gènes des protéines ribosomiques, qui peuvent représenter une large fraction de la masse cellulaire, est soumise à un contrôle traductionnel. Plus récemment, l’identification et la caractérisation de nombreux petits ARN régulateurs (sARN, pour “small ARN”) de l’expression des gènes au niveau post-transcriptionnel ont encore souligné l’importance de ce type de contrôle.
Ces sARN ont été identifiés dans de nombreuses bactéries et ils sont impliqués dans des processus biologiques fondamentaux, tels que le “quorum-sensing” ou l’homéostasie de l’enveloppe cellulaire. Une grande partie de ces molécules régulatrices agit en s’appariant à des ARNm-cibles via une région de complémentarité courte et imparfaite, ce qui permet à un seul sARN de réguler plusieurs cibles. Cet appariement a pour conséquence de modifier la traduction et/ou la stabilité de l’ARNm-cible selon des mécanismes moléculaires extrêmement variés.
Le contrôle post-transcriptionnel exercé par les sARN et le contrôle transcriptionnel sont intimement liés. En effet, la synthèse des sARN est fortement régulée au niveau transcriptionnel, et plusieurs sARN contrôlent directement l’expression de régulateurs transcriptionnels. Ceci résulte en une boucle de rétrocontrôle dans de nombreux cas. En conséquence, des fonctions biologiques aussi importantes que la motilité sont contrôlées par des réseaux mixtes de régulation, dont les propriétés sont encore mal caractérisées.
Le projet « UnifyRNA » a pour but de mettre à jour le rôle des sARN dans ces circuits de régulations mixtes en s’appuyant sur deux exemples de choix que nous avons identifiés chez E. coli. Le premier est la boucle de rétrocontrôle qui existe entre les sARN OmrA et OmrB (apparemment redondants) et le SDC EnvZ-OmpR, des régulateurs qui contrôlent la composition de la membrane externe, l’adhésion ou encore la motilité. Le deuxième exemple est le contrôle du SDC PhoQ-PhoP, impliqué dans l’homéostasie du magnésium ou la virulence bactérienne, par les sARN MicA et GcvB. Les résultats seront d’un intérêt majeur au vu du rôle central des SDC EnvZ-OmpR et PhoQ-PhoP dans la physiologie bactérienne. Ils permettront de plus d’appréhender les fonctions, les propriétés spécifiques et les rôles biologiques des réseaux mixtes de régulation d’E. coli ainsi que la façon dont ils s’intègrent dans des réseaux plus larges. Ceci est particulièrement important étant donné que les SDC et les sARN sont deux classes de régulateurs très répandues chez les bactéries et qu’il existe d’autres exemples de sARN contrôlant des SDC. Enfin, les résultats obtenus au cours de cette étude devraient aussi nous permettre d’identifier la liste complète des cibles des sARN OmrA et OmrB et, en conséquence, le rôle biologique de ces deux sARN.
En utilisant une approche multidisciplinaire qui mêlera transcriptomique, protéomique, génétique moléculaire, microscopie et biologie des systèmes, le projet UnifyRNA permettra des avancées majeures dans notre compréhension de la biologie des petits ARN régulateurs bactériens.