Chez Streptococcus pneumoniae, l’adaptation et la diversité génétique - facteurs clés de sa pathogénicité et de sa capacité à échapper aux pressions immunitaires et antibiotiques - sont principalement régies par le transfert horizontal de gènes via la transformation. La transformation génétique naturelle implique la capture d’ADN étranger provenant de l’environnement extracellulaire, suivie de son internalisation et de son intégration dans les chromosomes de la bactérie par recombinaison homologue. Ce processus peut générer d’importants réarrangements chromosomiques, notamment des changements de capsule, et contribue à la résistance notoire de l’espèce aux antibiotiques et aux traitements vaccinaux. La transformation est activée au cours d’un état transitoire appelé « compétence », qui, chez S. pneumoniae, est induit pendant la phase de croissance exponentielle en conditions de stress. Alors que les mécanismes moléculaires conduisant à l’activation de ce programme de différenciation sont bien documentés, la structure du chromosome au cours de ce processus reste inexplorée.
Ce travail vise à déterminer l’organisation du chromosome de S. pneumoniae pendant la compétence et la transformation à l’aide d’approches complémentaires. Au niveau populationnel, les techniques d’Hi-C et d’électrophorèse sur gel 2D ont révélé que pendant la compétence, les interactions chromosomiques à courte portée ainsi que les contacts entre les bras chromosomiques étaient réduits, et que le surenroulement négatif de l’ADN était augmenté. La PCR numérique en gouttelettes (ddPCR) a en outre démontré que les cellules compétentes ne réinitient pas la réplication après avoir achevé un cycle, ce qui suggère une pause dans le cycle cellulaire. A l’échelle cellulaire, la microscopie à épifluorescence a mis en évidence des changements dynamiques de la taille et de l’occupation des nucléoïdes dus à la protéine ComM, connue pour induire un arrêt de la division dans les cellules compétentes. De plus, il a été démontré que la nature de l’ADN transformant influençait l’organisation chromosomique, probablement par le biais de son impact sur la recombinaison homologue.
Afin de mieux déterminer la structure du chromosome pneumococcique à l’échelle nanométrique, des techniques avancées ont été mises au point pour l’analyse des images de microscopie à haute résolution. Ces résultats ont révélé que les nucléoïdes présentent une structure en amas. La nature de ces amas, qui ont tendance à être plus grands et plus nombreux dans les cellules compétentes que dans les cellules non compétentes, reste à déterminer.
Dans l’ensemble, ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur le remodelage structurel du chromosome pneumococcique au cours de la compétence. Elles ouvrent également la voie à de nouvelles recherches sur la dynamique chromosomique chez d’autres espèces bactériennes. |
In Streptococcus pneumoniae, genetic diversity and adaptation are key drivers of pathogenicity and evasion of immune and antibiotic pressures. They are mainly driven by horizontal gene transfers via transformation. Natural genetic transformation consists in the capture of foreign DNA from the extracellular environment, followed by its internalization and integration into the bacteria’s chromosomes by homologous recombination. This process can generate large chromosomal rearrangements, including capsule switching, and contributes to the species’ notorious resistance to antibiotics and vaccine treatments. Transformation is activated during a transient state called competence, which, in S. pneumoniae, is induced during exponential growth under stress conditions. While the molecular mechanisms leading to the activation of this differentiation program are well documented, the structure of the chromosome during this process remains unexplored.
This work aims to determine the organisation of the pneumococcal chromosome during competence and transformation by using complementary approaches. At the populational level, Hi-C and 2D-gel electrophoresis revealed a loss in short-range chromosomal interactions, reduced contacts between chromosomal arms, and increased negative supercoiling during competence. Digital droplet PCR (ddPCR) further demonstrated that competent cells do not re-initiate replication after completing a round, suggesting a pause in the cell cycle. At the single-cell level, epifluorescence microscopy uncovered dynamic changes in nucleoid size and occupancy due to ComM, a protein known to induce a division arrest in competent cells. Furthermore, the nature of transforming DNA was found to influence chromosomal organisation, likely through its impact on homologous recombination.
To further determine the structure of the pneumococcal chromosome at the nanoscale level, advanced techniques were developed to analyse images of high-resolution microscopy. These results revealed that nucleoids exhibit a clustered structure. The nature of these clusters, which tend to be bigger and more numerous in competent cells compared to non-competent cells, remains to be determined.
Altogether, these findings shed new lights on the structural remodelling of the pneumococcal chromosome during competence. They also pave the way for further investigations into chromosomal dynamics in other bacterial species. |