Modélisation de la régulation transcriptionnelle par superenroulement de l'ADN chez les bactéries

Au cours de leur vie, les bactéries font face à des changements environnementaux, auxquels elles répondent en modifiant rapidement et globalement l’expression de leurs gènes. Les modèles de régulation transcriptionnelle classiques sont centrés sur les facteurs de transcription, qui reconnaissent des séquences spécifiques dans le promoteur des gènes. Néanmoins, ces modèles ignorent le rôle important du surenroulement de l’ADN, une propriété fondamentale de la double-hélice résultant de stress torsionnel. Le surenroulement agit comme un régulateur global et ubiquitaire en réponse aux changements environnementaux, comme le démontrent un nombre croissant d’études transcriptomiques. L’objectif de ma thèse est de développer des modèles quantitatifs de ce mode de régulation, en identifiant les éléments promoteur déterminants dans la sensibilité des gènes au surenroulement, sur la base de l’interaction ARN Polymerase-ADN et indépendemment de la présence éventuelle d’autres régulateurs. Et ce, en combinant (i) l’obtention et l’analyse des données transcriptomiques disponibles fournissant la réponse des gènes à des variations de surenroulement, (ii) des études cinétiques de transcription sur promoteurs mutés, et (iii) une approche de modélisation thermodynamique de la transcription à l’échelle du génome entier. Dans un premier temps, le transcriptome de D. dadantii est caractérisé, une bactérie pathogène des plantes dans laquelle une quantité significative de données a été accumulée sur l’effet du surenroulement durant le processus infectieux, le but étant de cartographier ses unités de transcription ainsi que ses promoteurs. Dans un second temps, nous implémentons à l’échelle du génome entier deux modèles de régulation indépendants. En modifiant drastiquement l’énergie libre d’ouverture de la double-hélice, le premier modèle démontre en quoi des variations globales du niveau de surenroulement permettent d’activer sélectivement les promoteurs en fonction du contenu en G/C de leur discriminateur. En modifiant l’orientation des éléments -35 et -10 pour la fixation de l’ARN Polymerase, le deuxième modèle quantifie la contribution de la taille du spacer des promoteurs dans leur réponse au surenroulement. Les prédictions sont validées dans un premier temps en mesurant la réponse transcriptionnelle de promoteurs mutants à des variations de surenroulement. En étendant la validation des modèles à l’échelle du génome entier de bactéries différentes en termes de phylogénie et mode de vie sur la base des données transcriptomiques disponibles, nos résultats suggèrent que les mécanismes sous-jacents sont utilisés de manière universelle dans le royaume procaryote, en particulier en réponse à des changements environnementaux. Au-delà, ces travaux démontrent le caractère basal et ubiquitaire de la régulation par le surenroulement basée sur les propriétés fondamentales de l’ADN.Bacteria are exposed to environmental fluctuations, to which they respond by quick and global changes in gene expression. Usual models of transcriptional regulation are centred on transcription factors which recognise specific sequences in genes’ promoters, but disregard the important role of DNA supercoiling (SC), an ubiquitous property of the double-helix resulting from torsional stress. SC acts as a global and ubiquitous regulator in response to environmental changes, as suggested by many recent transcriptomics studies. The objective of the present thesis is to develop quantitative models of this regulation mode, by identifying the promoter-sequence determinants of gene SC-sensitivity, based on RNA Polymerase-DNA interaction and independently from additional regulatory proteins. To this end, we combine (i) the analysis of available transcriptomic data under conditions of SC variations, (ii) transcription assays on mutant promoters, and (iii) a thermodynamic modelling of transcription at the genome-scale. We first characterise the transcriptome of D. dadantii, a phytopathogen in which extensive data have been accumulated regarding the role of SC during plant infection, defining its transcription units and promoters. We then present two models explaining how global SC variations can selectively activate/repress promoters, depending on (i) the G/C-content of their discriminator for SC-assisted promoter opening, and (ii) their spacer length for the SC-dependent orientation between -35 and -10 elements affecting RNA Polymerase binding. Transcription assays are conducted on mutant promoters, and quantitatively confirm the predictions of the models. The universality of these mechanisms is demonstrated by analysing transcriptomes of distant bacteria under conditions of SC variations. Altogether, these results show that SC, based on the fundamental properties of DNA, constitutes an ubiquitous regulation mode in the prokaryotic kingdom