Mechanism of TLC phage integration into the genome of Vibrio cholerae
Mécanisme d'intégration du phage TLC dans le génome de Vibrio cholerae
Résumé
Most of bacteria have a single circular chromosome. During replication of DNA, this circularity can lead to two sister chromatids topologically linked (catenanes and dimers). These topological links have to be solved in order to allow good segregation of genetic information between the two daughter cells during cell division. Bacteria possess a highly conserved machinery: the tyrosine recombinases XerC XerD that are capable to resolve dimers and some catenanes, by catalyzing a crossover at the specific site dif located in the Ter region of the chromosome. During this process they realize two sequentialstrand exchanges.The Xer reaction is spatiotemporally controlled by a protein of the divisome: FtsK. FtsK is a pump that translocates DNA through the septum of division. When FtsK meets a synapse that consists of two dif loaded by XerC and XerD, it activates XerD catalysis that initiates first strand exchange. Secondly XerC catalyzes a second strand exchange independently of FtsK. To date the activation mechanism of XerD is not well understood. Some mobile elements solve their multimeric states (like plasmids) or integrate their genome into the chromosome of their host by using XerCD recombinases. Such integrative elements are named IMEXs (Integrative Mobile Element using Xer). The mobile elements studied before my thesis all used recombination pathways initiated by catalysis of XerC and not requiring activation of XerD .During my PhD I studied at first the integration mechanism / excision of a new class IMEXs using as a model the TLC phage Vibrio cholerae, the bacterium responsible for cholera. By genetic approaches I demonstrated that TLCphi uses a recombination pathway initiated by XerD catalysis and independently of FtsK. My work has also shown that the phage excision participates in the evolution of pandemic strains of V. cholerae. In the second part, I identified a phage factor that allows TLC to bypass the activation of XerD by FtsK. This factor was a protein of unknown function with a HTH domain and a DUF3653 domain. DUF3653 are found in many IMEXs. Using molecular biology approaches, I studied the mechanism of action of this protein. I reproduced the recombination reaction in vitro and demonstrated that this factor activates XerD by directly interacting with it. Finally, we were interested to study disparities between Xer recombination in E.coli and V.cholerae. In particular, the Xer recombination seems to act only on dimers in E.coli while it is also active on monomers in V.cholerae. We have demonstrated that these differences in behaviors do not come from Xer themselves or their activation by FtsK. They result from different choreographies of chromosome segregation between these two bacteria and are also dependent on growth rates.
La plupart des bactéries ont un unique chromosome circulaire. Lors de la réplication de l’ADN, la circularité lie topologiquement les deux chromatides sœurs résultant de la réplication (caténanes et dimères). Ces liens topologiques doivent être résolus afin de permettre une bonne ségrégation de l’information génétique entre les deux cellules filles au cours de la division cellulaire. Les bactéries possèdent une machinerie très conservée: les recombinases à tyrosines XerC et XerD, capables de résoudre les dimères et une partie des caténanes, en catalysant un crossover au site spécifique dif situé dans la région Ter du chromosome. Lors de ce processus elles réalisent successivement deux échanges de brins. La réaction Xer est spatio-temporellement contrôlée par une protéine du divisome: FtsK. FtsK est une translocase qui pompe l’ADN à travers le septum de division. Lorsqu’elle rencontre une synapse constituée de deux sites dif chargés de XerC et XerD, elle active la catalyse de XerD pour initier le premier échange de brins. Dans un second temps XerC catalyse un second échange de brins indépendamment de FtsK. A ce jour le mécanisme d’activation de XerD n’est pas bien compris. Certains éléments mobiles résolvent leur états multimériques (tels que les plasmides) ou intègrent leur génome dans celui de leur hôte en détournant les recombinases XerCD. On parle d’IMEXs (integrative Mobile Element using Xer). Les éléments mobiles étudiés avant ma thèse utilisaient tous des voies de recombinaison initiées par la catalyse de XerC et ne nécessitant pas l’activation de XerD. Au cours de ma thèse j’ai étudié dans un premier temps le mécanisme d’intégration / excision d’une nouvelle classe d’IMEXs en utilisant comme modèle le phage TLCphi de Vibrio cholerae, la bactérie responsable du choléra. Par des approches de génétique j’ai démontré que TLCphi utilise une voie de recombinaison initiée par la catalyse de XerD et indépendante de FtsK. Mes travaux ont également montré que l’excision du phage participe à l’évolution des souches pandémiques de V.cholerae. Dans une seconde partie, j’ai identifié un facteur phagique qui permet à TLCphi de contourner le contrôle de FtsK sur l’activation de XerD. Ce facteur était une protéine de fonction inconnue présentant un domaine HTH et un domaine DUF3653. Ce dernier est retrouvé dans de nombreux IMEXs. Par des approches de biologie moléculaire j’ai étudié le mécanisme d’action de cette protéine. J’ai reproduit la réaction de recombinaison in vitro et démontré qu’elle active XerD en interagissant directement avec elle. Enfin dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés aux disparités observées entre la recombinaison Xer chez E.coli et V.cholerae. En particulier, la recombinaison Xer semble agir seulement sur les dimères chez E.coli alors qu’elle est active également sur les monomères chez V.cholerae. Nous avons démontré que ces divergences de comportement ne viennent pas des Xer elles-mêmes, ni de leurs propriétés d'activations par FtsK. Elles résultent des différentes chorégraphies de ségrégation des chromosomes entre ces deux bactéries et dépendent également des vitesses de croissance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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