L’expression génique chez les bactéries est finement régulée à chaque étape entre le gène et la protéine. L’analyse des régulations de l’expression des gènes permet de mieux comprendre l’adaptation des bactéries à leur environnement et dans un contexte de biologie de synthèse de pouvoir optimiser la production microbienne de molécules d’intérêt. Nous avons choisi la bactérie Escherichia coli pour étudier le système de régulations de l’expression génique car elle possède une importante flexibilité métabolique qui lui permet de s’adapter à différents substrats carbonés. Par ailleurs E. coli est aussi un hôte largement utilisé en biologie synthétique.
Le rôle de la régulation traductionnelle dans l’expression génique est de plus en plus étudié suite à l’observation de faibles corrélations entre les niveaux de transcription et de protéines. Plusieurs études moléculaires lors de l’adaptation métabolique ont démontré la présence de régulations de la machinerie de traduction ou de mécanismes de régulations spécifiques de la traduction de certains gènes. Cependant, des analyses à l’échelle globale de la traduction de l’ensemble des gènes sont encore peu nombreuses. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été d’étudier la traduction au niveau du génome ainsi que ses relations avec les autres processus cellulaires par une approche de biologie des systèmes.
Tout d’abord l’activité de traduction à l’échelle omique (appelée le traductome) a été mesurée par le couplage des méthodes de polysome profiling et de RNA-Seq afin d’obtenir pour chacun des ARN messagers, son pourcentage de copies en traduction et sa densité en ribosomes. Pour la première fois, une image complète de l’état traductionnel de E. coli en croissance rapide a été obtenue, caractérisée par une majorité de transcrits avec un très fort pourcentage de copies en traduction mais faiblement chargés en ribosomes. Ces résultats couplés avec l’observation de corrélations positives entre le niveau de protéines et les deux paramètres, pourcentage de copies en traduction et densité en ribosomes ont suggéré que l’initiation serait la principale étape limitante de la traduction chez E. coli en croissance rapide.
Nous avons ensuite voulu prédire les déterminants majeurs de la variabilité de traduction entre les gènes chez E. coli en croissance rapide. Nous avons intégré nos données du traductome avec des données génomique, transcriptomique, de fonction et localisation des protéines, les cibles de régulations spécifiques… dans un modèle statistique de régressions linéaires multiples. Notre modèle a identifié des facteurs liés à la séquence comme déterminants de la traduction mais de façon plus surprenante, le modèle prédit aussi le rôle important d’un paramètre physiologique : la concentration en ARNm. Ainsi plus un ARNm est concentré, plus il aurait un fort pourcentage de copies en traduction et une densité en ribosomes élevée. Pour la première fois, cet effet de la transcription sur la traduction a été validé à l’échelle moléculaire sur plusieurs gènes. Pour cela, nous avons développé une méthode de multiplexage de polysome profiling afin d’étudier la traduction de plusieurs souches en parallèle. Nous avons montré qu’une augmentation de la concentration d’un ARNm par induction transcriptionnelle entrainait une augmentation du pourcentage de copies en traduction et de la charge en ribosomes.
L’ensemble de nos résultats -omiques et moléculaires souligne le rôle crucial de l’état physiologique dans la régulation traductionnelle, la traduction étant régulée de façon co-directionnelle avec la transcription en fonction des besoins de la cellule. |
Gene expression in bacteria is finely regulated at each step between the gene and the protein. The analysis of gene expression regulation is necessary to better understand bacterial adaptation to environment and to be able in a context of synthetic biology to optimize the production of molecules of interest. We chose to study the regulatory system of gene expression in Escherichia coli because E. coli has a high metabolic flexibility and is capable to grow on different carbon substrates. Moreover, E. coli is also widely used as a host in synthetic biology.
The role of translational regulation in gene expression is increasingly studied after the discovery of weak correlations between transcription and protein levels. Several molecular studies during metabolic adaptation have demonstrated regulations of the translational machinery or specific regulatory mechanisms of translation of certain genes. However, analyses of global translation of all the genes are still very few. Thus, the goal of this thesis was to study translation at the genome-wide level and its relationship to other cellular processes using a systems biology approach.
First, translation activity at the omic scale (called the traductome) was measured by coupling polysome profiling and RNA-Seq methods to provide for each messenger RNAs, its percentage of copies in translation and ribosome density. For the first time, a complete picture of the translational state in fast growing E. coli cells was obtained, characterized by a majority of transcripts with a very high percentage of copies in translation but a low ribosome density. These results coupled with the observation of positive correlations between protein level and both parameters, percentage of copies in translation and ribosome density, suggested that initiation would be the major limiting step of translation in rapidly growing E. coli cells.
We then wanted to predict the major determinants of translation variability among genes in rapidly growing E. coli. We integrated our traductome data with genomic, transcriptomic, functional and protein localization data, specific regulatory targets ... in a statistical model of multiple linear regression. Our model identified sequence-related factors as determinants of translation but, more surprisingly, the model predicted the important role of a physiological parameter: the mRNA concentration. Thus, more concentrated mRNA would have higher percentage of copies in translation and higher ribosome density. For the first time, this effect of transcription on translation has been validated at the molecular level on several genes. For this, we developed a polysome profiling multiplexing method to study the translation of several strains in parallel. We showed that an increase in mRNA concentration by transcriptional induction results in increases in the percentage of copies in translation and in the ribosome load.
All of our -omics and molecular results underline the crucial role of the physiological state in translation regulation, translation being co-directionally regulated with the transcription according to the cellular needs.
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