Dans son environnement, la bactérie hétérotrophe Escherichia coli (E. coli) fait face à d’importantes fluctuations des ressources carbonées. Une grande capacité d’adaptation métabolique lui permet de coloniser ou de subsister en fonctions des substrats disponibles. Cette adaptation est régie par un réseau complexe de régulations de l’expression génique. Au sein de ce réseau, le régulateur global post-transcriptionnel CSR (Carbon Storage Regulator) régule la stabilité et/ou l’initiation de la traduction d’ARNm par l’intermédiaire de la protéine CsrA. Ce système, impliqué dans la régulation de différents phénomènes adaptatifs, est essentiel en présence de glucose et est également supposé être impliqué dans la régulation d’une transition métabolique glycolyse vers gluconéogenèse. Toutefois, bien que constaté, le caractère essentiel de CSR est à ce jour inexploré, tout comme son implication dans la régulation d’une adaptation métabolique. Autrement dit, le rôle du système CSR dans la régulation du métabolisme est actuellement l’objet de nombreuses suppositions et interrogations qu’il reste à résoudre.
Dans cette thèse, une approche de biologie intégrative a permis d’avancer pour la première fois, une explication de l’essentialité de CSR lors d’une croissance exponentielle sur glucose. La production, l’intégration par des approches de modélisation mathématique et la comparaison de données moléculaires et phénotypiques acquises pour une souche sauvage et une souche partiellement mutée pour la protéine CsrA ont mis en évidence la régulation CSR-dépendante du haut de la glycolyse. L’absence d’une régulation correcte de l’enzyme phosphofructokinase A par CSR engendre l’accumulation de métabolites intracellulaires aboutissant à un stress aux hexoses phosphate et à l’inhibition de la croissance.
Une étude focalisée sur l’implication du système CSR dans la régulation de l’expression des gènes du métabolisme carboné central lors d’une transition glucose-acétate, transition modèle d’une adaptation métabolique glycolyse vers gluconéogenèse, a permis de statuer sur l’implication du système CSR dans la régulation de cette transition métabolique. Grâce à l’utilisation de différents mutants du système CSR, nous avons pu mettre en évidence le rôle réel mais indirect de ce système lors de cette transition. Cette régulation s’effectue par la régulation de la synthèse de glycogène intracellulaire durant la phase glycolytique. Une fois le glucose consommé, le glycogène permet de maintenir un niveau énergétique élevé favorisant l’adaptation au nouveau substrat.
Finalement, des approches de transcriptomique et de stabilomique utilisées pour une souche sauvage au cours d’une adaptation métabolique ont mis en évidence l’importance des régulations de la stabilité des ARNm au cours de l’adaptation. Elles concerneraient notamment des facteurs de transcriptions associés à la réponse adaptative. Un très faible nombre des régulations de la stabilité serait potentiellement sous contrôle du système CSR.
En conclusion, ces travaux approfondissent grandement les connaissances concernant le système CSR et son implication dans la régulation du métabolisme d’E. coli. Ce système, indispensable à la régulation du métabolisme durant une phase de croissance sur glucose s’ajoute de façon indéniable au réseau déjà complexe de régulations du métabolisme d’E. coli.
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In its natural environment, Escherichia coli (E. coli) faces strong fluctuations of the nutrient availability. A complex gene regulatory network makes the bacterium able to switch between a state of growth in the presence of an appropriate carbon source and a non-growth state in its absence. Within this network, the global post-transcriptional regulator CSR (Carbon Storage Regulator) modifies mRNA stability and/or translation initiation by the CsrA protein. This system is involved in the regulation of different adaptive phenomena. It has also been shown to be essential for cells to grow on glucose and is hypothesized to be involved in the regulation of metabolic transitions. However both observations remained unexplored so far. The role of CSR in the regulation of the metabolism is thus still subject to many hypotheses that await further demonstration.
An integrative approach has been used during this work to investigate for the first time the essentiality of CSR on glucose. Molecular and phenotypic data for two strains (the wild-type K12 MG1655 and a strain deleted for the 10 last amino acids of the CsrA protein) have been produced and integrated into mathematical models. The results show a CSR-dependent regulation in the upper part of glycolysis. Mis-regulation in the absence of CSR activity leads to the accumulation of glycolytic metabolites and a hexose phosphate stress triggering growth inhibition.
Another study evaluated the regulatory role of CSR in the expression of central carbon metabolic genes during the glucose-acetate metabolic transition. This transition is an adaptation from a glycolytic metabolism to a gluconeogenic one. The study validates the hypothesis of CSR involvement during such metabolic adaptation. However, the role of CSR appears to be indirect, by regulating the accumulation of intracellular glycogen during the glucose consumption phase. In fact, the accumulated glycogen favors the cell adaptation to acetate by preventing the energetic drop following glucose exhaustion.
Transcriptomic and Stabilomic approaches have been used eventually to characterize the importance of the control of mRNA stability during the metabolic adaptation. mRNA stability regulations appear to be of particular importance in gene expression regulation during metabolic adaptation and mainly concern stabilization of mRNAs of transcriptional factors involved in the adaptive response. Few of the stability regulations are likely to be CSR-related.
To conclude, this work shed a new light upon CSR’s involvement in the regulation of E. coli’s metabolism. CSR is definitely essential to regulate glycolysis and thus constitutes another regulator to be integrated into the already complex regulations network of E.coli’s metabolism.
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