Quantitative analysis of translation regulations in Lactococcus lactis by systems biology

La régulation de l’expression génique chez les bactéries résulte d’un processus complexe comprenant deux étapes majeures, la transcription des gènes en ARNm et leur traduction en protéines. Les études qui allient les données de transcription et de traduction sont rares et l’importance de chacun de ces deux mécanismes dans un processus global d’adaptation n’est pas encore clairement définie. Or, les faibles corrélations entre les niveaux d’ARNm et de protéines chez les bactéries et, plus particulièrement chez la bactérie modèle Lactococcus lactis, suggèrent l’importance des régulations traductionnelles.Aujourd’hui des exemples de mécanismes de régulation de la traduction à l’échelle moléculaire se multiplient, néanmoins il n’existe que très peu de méthodes systémiques permettant d’étudier ces régulations à l’échelle globale. Dans cette thèse, l’état de traduction de chacun des ARNm de la cellule a été estimé par la mesure du traductome. Ainsi, pour chaque ARNm, le pourcentage de molécules en traduction et sa densité en ribosomes ont été déterminés. Pour la première fois, une image complète de l’état de traduction de la bactérie a été obtenue montrant une grande variabilité traductionnelle au sein de la population des transcrits. De plus, il a été démontré que cet état traductionnel était très régulé. De fait, lors d’une carence nutritionnelle, la machinerie de traduction est globalement diminuée et il est observé une redistribution de l’efficacité de traduction vers des gènes nécessaires à la bactérie pour être adaptée au stress imposé. D’autre part, cette forte variabilité de l’état de traduction au sein des ARNm a pu être reliée à des différences au niveau du mécanisme propre de la traduction. En effet, les coefficients de contrôle des trois grandes étapes de la traduction, estimés par modélisation à partir des données de traductome, dépendent fortement de la nature des gènes. Ainsi un contrôle au niveau de l’étape d’initiation a été démontré comme attendu pour la majorité des gènes. Mais pour un grand nombre de gènes, un contrôle par l’élongation (et pour un nombre plus restreint par la terminaison) a été aussi mis en évidence chez L. lactis. Dans le contrôle global de l’expression génique, il a d’autre part été mis en évidence que les processus de traduction et de dégradation des ARNm étaient impliqués et associés à des régulations coordonnées ou non en fonction des conditions de croissance.En conclusion, ces travaux de thèse ont montré l’importance des régulations de la traduction. Plus largement, ils ont souligné la nécessité de caractériser les différents niveaux de régulations de l’expression génique afin de mieux appréhender la physiologie de la celluleIn bacteria, regulation of gene expression results from a complex program composed of two main steps: transcription of genes into mRNA and their translation into proteins. Few studies integrate both transcription and translation, so their relative importance in the global process of bacterial adaptation is not yet well defined. However, weak correlations between mRNA and protein levels were found in bacteria, in particular in the lactic acid bacteria model Lactococcus lactis, suggesting significant translation regulations in this bacterium.Nowadays, translation regulation mechanisms are mainly investigated at the molecular level since only few systemic methods exist to study these regulations at a genome-wide scale. During this PhD, translation state of all mRNA was estimated by translatome measurement. For each mRNA in the cell, percentage of its molecules in translation and its ribosome density were determined. For the first time in bacteria, a detailed picture of the translation state of all transcripts was obtained. Large variation of translation state was observed within the transcript population demonstrating a high diversity of translational regulations in a given physiological state. In addition, during nutrient starvation, the global translation machinery was decreased and associated with a redistribution of the translation efficiency towards genes required to stress adaptation.Changes in translation state were related to specific kinetics of the three elementary steps of translation. From translatome data, control coefficients of initiation, elongation and termination on the global translation process were modeled. The translation limiting step was strongly dependent on gene function. Although a control by initiation was observed for most of the genes of L. lactis, a large set of genes was elongation limited, and even few genes were limited by termination.In the global control of gene expression, both translation and mRNA decay were involved and led to coupled or uncoupled regulations according to growth conditions.Finally, this work has demonstrated the importance of translation regulations in bacteria. This result strengthens the necessity to include all the different layers of gene expression regulation in order to better understand cell physiolog