Staphylococcus aureus, pathogène opportuniste de l’Homme, est un réel problème de santé publique du fait de l’émergence de souches virulentes résistantes à différentes classes d’antibiotiques. La compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans sa virulence est indispensable pour la mise au point de nouveaux agents anti-infectieux. Il est apparu récemment que certains ARN régulateurs (ARNrég) de S. aureus sont impliqués dans l’expression de facteurs de virulence. Mon projet de thèse a porté sur l’étude d’un ARNrég de fonction inconnue, SprB. Des expériences préliminaires à ce travail ont montré une variation du niveau d’expression de la protéine SasG en absence de l’ARN SprB. Dans une première partie de ce travail, j’ai cherché à confirmer expérimentalement le lien entre l’ARN SprB et la protéine SasG. Les niveaux d’expression de la protéine SasG ont été observés dans différents contextes génétiques mutants pour SprB et/ou différents facteurs de régulation de S. aureus. L’ensemble des résultats obtenus suggère le rôle indirect de SprB sur l’expression de SasG. SprB semble impliqué dans un réseau global de régulations qui gouverne l’expression de la protéine SasG. La deuxième partie de cette étude qui porte sur l’identification des cibles directes de SprB a été appréhendée à l’aide d’outils prédictifs. Parmi les cibles potentielles révélées par ce criblage in silico, notre intérêt s’est porté sur la sous-unité Opp4F du transporteur ABC Opp4. J’ai montré que l’ARN SprB empêche, in vitro, la fixation du ribosome sur l’ARN Opp4F et diminuerait potentiellement la synthèse de la sous unité Opp4F. Cela pourrait avoir un impact dans la régulation du métabolisme énergétique de S. aureus. L’ensemble de ces résultats suggère une implication de l’ARN SprB dans plusieurs processus physiologiques de S. aureus aussi cruciaux que la régulation de l’expression de gènes de virulence et le métabolisme énergétique de la bactérie. / Staphylococcus aureus is a major human opportunist pathogen causing a wide spectrum of nosocomial and community-associated infections. The emergence of strains resistant to most currently available antibiotics presents a serious public health threat. Therefore, there is an urgent need for new treatment. The development of such arsenal requires the elucidation of the molecular mechanisms involved in bacterial virulence. sRNA, represent a new and promising field of investigation, because of its implication in main cellular processes such as virulence factor regulation. My PhD thesis focused on the study of SprB : a small regulatory RNA (sRNA) of unknown function. Preliminary results have shown that the absence of SprB leads to differences in the of SasG protein level. First, I investigate the link between SprB RNA and SasG protein. Therefore, SasG protein levels have been studied in several genetic backgrounds, parental or mutant for SprB and/or global regulation factors. Taken together, our findings suggest an indirect effect of SprB on SasG regulation. In addition, SprB seems to be implicated in global bacterial regulation network which governs SasG protein expression. In the second part of my thesis, we tried to identify direct targets of SprB through in silico screening. Among a list of the potential targets revealed, we focused on Opp4F, sub-unit of the ABC transporter Opp4. We demonstrated, in vitro, that SprB RNA is able to inhibit the binding of the ribosome on Opp4F mRNA, potentially decreasing the synthesis of Opp4F sub-unit. Therefore, Opp4F is not or less produced which could have serious impact on the regulation of energetic metabolism. Altogether, the results obtained highlighted the potential role of SprB in several crucial physiological processes such as regulation of energetic metabolism and regulation of bacterial virulence.

S. aureus est une bactérie pathogène opportuniste de l’homme qui pose un grave problème de santé publique. Le pouvoir pathogène de S. aureus est conféré par un très grand nombre de facteurs de virulence, dont l’expression est finement régulée à de multiples niveaux. Les effecteurs de cette régulation sont à la fois des protéines et des ARN non codants (ARNnc) aussi appelés ARN régulateurs. Je me suis concentré au cours de ma thèse sur la classe majoritaire qui sont les ARNnc qui régulent la traduction d’ARNm. Ils sont impliqués dans de complexes réseaux de régulation qui permettent de contrôler la physiologie de la cellule ainsi que sa virulence. Pour élargir nos connaissances de ces réseaux, j’ai développé deux approches méthodologiques, appelées MAPS et Grad-seq, que j’ai appliquées in vivo chez S. aureus en utilisant RsaA et RsaC comme modèles. L’application du MAPS a permis d’identifier de nouvelles cibles directes pour RsaA et des cibles potentielles pour RsaC. L’approche Grad-Seq est un outil puissant mais demande encore des ajustements. J’ai également pu déterminer un rôle probable pour l’ARNnc RsaC dans la régulation de l’homéostasie oxydo-réductive de S. aureus, en lien avec la résistance au stress oxydatif et avec la persistance lors de l’internalisation par les ostéoblastes. / S. aureus is an opportunistic pathogen of the human species which can express a large array of virulence factors whose expression is under tight regulation at multiple levels. The regulation can be done by proteins and by particular molecules of RNA called non-coding RNA (ncRNA). I focused during my thesis on the main category of ncRNA in S. aureus, which are regulating the translation of mRNA. These ARNs are involved in complex regulatory networks, impacting the physiology of the bacterial cell and its virulence. To understand further these networks, I developped two methodological approaches in vivo in S. aureus, called MAPS and Grad-seq, which were applied using RsaA and RsaC as models of studies. MAPS allowed to find new direct targets of RsaA and plausible targets for RsaC. The Grad-Seq method showed to be a powerful tool but still needs refinements. I also could determine a possible role for RsaC in the regulation of oxydo-reductive homeostasis, in direct link with oxydative stress resistance and persistance during internalisation by osteoblasts.

Staphylococcus aureus, est un pathogène humain majeur responsable d’infections nosocomiales et communautaires. Avec l’utilisation excessive des antibactériens, l’incidence et l’émergence de souches de S. aureus multi-résistantes aux antibiotiques ont augmenté rapidement depuis plusieurs années et constituent un véritable problème de santé publique. Le succès de S. aureus en tant que pathogène est lié à sa capacité à s’adapter rapidement à un nouvel environnement et à produire un arsenal de facteurs de virulence dont l’expression fait intervenir des protéines mais également des ARN régulateurs (ARNrég). Au cours de cette thèse, nous avons montré que les ARNrég sprG1 et SprF1 constitue un système toxine-antitoxine (STA) de type I fonctionnel où sprG1 code pour deux peptides toxiques. En condition normale de croissance, l’expression de la toxine est régulée par l’antitoxine SprF1 au niveau transcriptionnel et/ou post-transcriptionnel et traductionnel, permettant au pathogène S. aureus de croître normalement. En revanche, lorsque la bactérie est confrontée à une carence nutritive globale, l’expression de l’antitoxine est réprimée, laissant ainsi la toxine sprG1 s’accumuler dans la cellule et traduire les peptides toxiques PepG144 et PepG131, responsables de la stase bactérienne. Les deux peptides sécrétés sont capables de lyser les bactéries compétitrices présentes dans le milieu et les érythrocytes humains. Nous avons également montré, qu’en condition de stress hyperosmotique, SprF1 fixe directement les ribosomes, probablement par l’intermédiaire d’un ou de deux sites de fixation aux ribosomes, afin de réguler la synthèse protéique globale et de favoriser la persistance de S. aureus. Ces résultats montrent que SprF1 appartient à une nouvelle classe émergente d’ARNrég régulant la traduction par fixation directe sur le ribosome. Le STA sprG1/SprF1 est le premier exemple de STA de type I où l’antitoxine est le principal acteur de la fonction biologique. / Staphylococcus aureus is a major human pathogen responsible for nosocomial and community-acquired diseases. With the excessive use of antibiotics, incidence and emergence of multidrug-resistant strains of S. aureus have rapidly increased over the last decade and constitute a serious public health concern. The success of S. aureus as a pathogen is due to its ability to adapt quickly to new environment and to produce an arsenal of virulence factors whose expressions are regulated by proteins and regulatory RNA (regRNA). During my PhD thesis, we showed that RNAs sprG1 and SprF1 constitute a functional type I toxin-antitoxin system (TAS) where sprG1 encodes two toxic peptides. During normal growth conditions, toxin expression is regulated by the antitoxin SprF1 at transcriptional and/or post-transcriptional and translational level, allowing the pathogen to grow. Conversaly, when bacteria are confronted to global nutritive starvation, the antitoxin expression is repressed. This allows accumulation of the sprG1 toxin in cell and translation of both toxic peptides, PepG144 and PepG131, responsible for bacterial stasis. Interestingly, both secreted peptides are able to lyse competitor bacteria in the medium and human erythrocytes. We also showed that upon hyperosmotic stress, SprF1 directly binds ribosomes, probably though one or two ribosome-binding sites, to regulate overall protein synthesis and promote S. aureus persistence. These results suggest that SprF1 belongs to the new emerging class of regRNA regulating translation by direct ribosome-binding. The sprG1/SprF1 TAS is the first example of type I TAS where antitoxin is the leading player of the biological function.

Staphylococcus aureus est responsable de nombreuses infections nosocomiales etcommunautaires dont la diversité est liée à l’expression de nombreux facteurs de virulence.L’expression de ces facteurs est temporellement coordonnée au cours de l’infection par desfacteurs de transcription, des systèmes à 2 composants et des ARN régulateurs (ARNnc). Ungrand nombre d’ARNnc potentiels a été prédit dans le génome de S. aureus mais leur fonctionreste méconnue.L’objectif premier de ce travail a été de caractériser le rôle dans la régulation de la virulence del’un des ARNnc identifiés par notre équipe, RsaA. Des approches phénotypiques in vitro ontpermis de démontrer que RsaA active la formation du biofilm et réprime la synthèse de lacapsule bactérienne, avec une incidence sur l’opsonophagocytose de la bactérie et sur soninternalisation dans les macrophages. Au niveau moléculaire, RsaA réprime la traduction dufacteur de transcription MgrA, répresseur de la formation de la biofilm et activateur de lacapsule, par un mécanisme de type antisens entre RsaA et l’ARNm mgrA. Parallèlement, RsaAréprimerait l’opéron yabJ-spoVG, activateur de la synthèse de capsule. Ainsi, RsaA active laformation de biofilm et réprime la synthèse de capsule.Le second objectif de ce travail a été de caractériser l’expression in vivo de RsaA, E, G, H ainsique l’ARN III dans des prélèvements d’infections aiguës (abcès cutanés), chroniques (crachatsde patients mucoviscidiques) ou de portages nasales. L’étude de l’expression de ces ARN parRT-PCR, a permis de montrer que tous ces ARN sont exprimés avec une grande variabilité dansles prélèvements infectieux par rapport aux prélèvements de portages. / Staphylococcus aureus is responsible for many nosocomial and communityinfections with a diversity linked to the expression of many virulence factors. Their expression istemporally coordinated during infection by transcription factors, two- component systems but alsoregulatory RNAs called non coding RNAs (ncRNAs). A large number of potential ncRNAs waspredicted in the genome of S. aureus but their function remains unknown.The first aim of this thesis was to characterize the role of one ncRNA identified by our team,RsaA, in the regulation of bacterial virulence. Several in vitro approaches allowed todemonstrate that RsaA activates biofilm formation and inhibits the bacterial capsule synthesis,with an impact on the bacterial opsonophagocytosis and internalization into macrophages. RsaArepresses the translation of mgrA mRNA by an antisense mechanism. mgrA codes for atrancriptional regulator known to repress biofilm formation but to activate capsule synthesis. Inparallel, RsaA represses the translation of the yabJ-spoVG operon, an activator of capsuleproduction. In this way, RsaA enhances biofilm formation and represses capsule synthesis.The second objective was to characterize the in vivo expression of RNA III and RsaA, E, G, HsRNAs in samples of acute infections (cutaneous absesses), chronicle infections (cystic fibrosis)and nasal carriage. The expression study (quantitative RT-PCR) allowed to demonstrate that allsRNA are expressed into samples but they have a high expression variability depending ofinfectious samples compared to asymptomatic carriage.

Staphylococcus aureus est un agent pathogène opportuniste responsable d’infections communautaires et nosocomiales pour lesquelles les traitements sont compliqués du fait de l'émergence de souches multi-résistantes. L’adaptation rapide de S. aureus à de multiples conditions de croissance contribue à sa virulence ; elle dépend de nombreux facteurs incluant la régulation des petits ARN (ARNrég). Nous avons réalisé une étude précise de tous les petits ARN de la souche modèle HG003, un dérivé de la souche NCTC8325 couramment utilisé pour les études de régulation génétique chez S. aureus. C'est une tâche complexe qui est essentielle pour réaliser des études moléculaires et fonctionnelles. Nous avons trouvé environ 50 authentiques (bona fide) petits ARN, un nombre beaucoup plus faible que précédemment rapporté. Comme la plupart des ARNrég contribuent à une « régulation fine » de l'expression génique, les phénotypes dépendants des ARNrég sont généralement difficiles à détecter. Cependant, ces phénotypes peuvent apparaître comme un caractère important après plusieurs générations sous une pression sélective. Nous avons développé une stratégie expérimentale pour mesurer l’évolution de la quantité de mutants d’ARNrég dans une population de mutants de S. aureus. Nous avons construit une collection de quatre-vingts mutants d’ARNrég dans la souche HG003. Chaque gène d’ARNrég est remplacé par une séquence d'ADN « code-barres » spécifique pour l’identification des mutants. La bibliothèque de mutants est cultivée dans différentes conditions de croissance, les codes-barres sont amplifiés par PCR et comptés par séquençage massif. Nous pouvons ainsi déterminer les mutants qui diminuent ou s'accumulent pendant une condition de stress et inférer une fonction à certains ARNrég. L'utilisation d'amorces spécifiques permet de multiplexer 50 conditions expérimentales. Nous nous sommes posés la question suivante : les ARNrég de S. aureus participent-t-ils à la résistance aux antibiotiques ? Dans ce mémoire, nous présentons des données en utilisant la méthode décrite ci-dessus. La bibliothèque de mutants d’ARNrég a été testée en présence de 10 antibiotiques ciblant les enveloppes, la synthèse des protéines, la réplication de l'ADN ou la synthèse de l'ARN. Plusieurs mutants sont affectés par les conditions de croissance testées. Par exemple, la proportion du mutant sau6836 augmente considérablement en présence de vancomycine et est réduite en présence de flucloxacilline, cloxacilline ou céfazoline. La proportion du mutant ARNIII-agr augmente progressivement en présence de gentamicine, de linézolide et de clindamycine. La proportion de mutant d'ARN 6S diminue significativement en présence de rifampicine. Il est important de noter que l'ARN 6S et la rifampicine ciblent l'ARN polymérase. L’ARNrég RsaA est un régulateur des autolysines dont l’absence affecte la survie en présence de ciprofloxacine. Ces exemples illustrent la puissance des expériences de compétition pour identifier les phénotypes dépendants des ARNrég et révèlent que plusieurs ARNrég contribuent à moduler la résistance aux antibiotiques. / Staphylococcus aureus is an opportunistic pathogen and one of the major bacteria responsible for community-acquired and nosocomial infections for which the treatment is complicated by the emergence of multidrug resistant strains. Its adaptation to multiple growth conditions, which contributes to its virulence, is under the control of numerous factors including regulatory RNAs, often called sRNAs for small RNAs. We performed an accurate survey of all sRNAs from the model strain HG003, a NCTC8325 derivative commonly used for S. aureus genetic regulation studies. It is a complex task, essential to accomplish molecular and functional studies. We found about 50 bona fide sRNAs, a number much lower than previously reported.As most sRNAs contribute to the "fine-tuning" of gene expression, sRNA-dependent phenotypes are generally difficult to detect. However, sRNA-mediated phenotypes may emerge as dominant traits after a few generations under selective pressure. We set up an experimental strategy to evaluate the fitness of S. aureus sRNA mutants within a population of sRNA mutants. A library of eighty HG003 mutants with sRNA genes replaced by specific DNA “barcode” sequences to allow the identification of each mutant was constructed. The mutant library was grown in different conditions, DNA barcodes were PCR and counted by DNA-seq. Mutants diminishing or accumulating during a stress condition provide information on sRNA functions. The use of specific primers allows multiplexing 50 experimental conditions in one DNA-seq library. We questioned whether sRNAs could affect the antibiotic resistance in S. aureus. Here, we present data using the above-described method with the sRNA mutant library tested in the presence of 10 antibiotics (targeting the cell wall and cell membrane, inhibiting the biosynthesis of protein, interrupting DNA replication and RNA synthesis of bacteria). Several mutants were affected by the tested growth conditions. For examples, the proportion of mutant sau6836 increases dramatically in vancomycin and reduces in flucloxacillin, cloxacillin and cefazolin. The proportion of RNAIII-agr mutant increases progressively in the presence of gentamicin, linezolid and clindamycin. The proportion of 6S RNA mutant decreases significantly in the presence of rifampicin. Interestingly, the 6S RNA and the rifampicin are targeting the RNA polymerase. The sRNA RsaA targets a regulator of autolytic activities and its corresponding mutant is remarkably reduced in the presence of ciprofloxacin. These examples illustrate the power of fitness experiments to identify phenotypes and reveals that several sRNAs contribute to modulate the resistance to antibiotics.

Ces dernières années de nombreuses recherches ont montré l’importance des petits ARN dans la régulation de l’expression des gènes, chez tous les organismes vivants, des bactéries aux mammifères. Le projet de cette thèse était de recherche et d’identifier des petits ARN chez une bactérie pathogène pour l’homme, Helicobacter pylori (Hp). Cette bactérie colonise exclusivement l’estomac humain, un organe qui pendant longtemps a été considéré comme étant stérile, en raison du pH parfois très acide qui y règne. L’infection persistante de l’estomac humain causée par Hp est associée avec plusieurs pathologies gastriques tels que les gastrites, les ulcères peptiques, les cancers gastriques et les lymphomes du MALT. La moitié de la population est infectée par Hp, qui est responsable d’environ 1 million de décès par an à travers le monde, et de 6000 nouveaux cas de cancers gastrique par an en France. Au cours de ma thèse, j’ai travaillé en étroite collaboration avec le groupe du Pr. Jörg Vogel (RNA Biology, MPI, Berlin, Allemagne) pour développer une méthode rapide et efficace d’analyse du transcriptome complet d’Hp, en s’appuyant sur une nouvelle sur une technologie émergente de pyroséquençage haut-débit (HTPS 454 technology, Life Science, USA). Notre méthode de séquençage du transcriptome d’Hp à partir de banques enrichies en transcrits primaires (dRNA-seq), nous a permis d’identifier les sites d’initiation de la transcription (TSS) de milliers de d’ARN. Plus de la moitié de ces TSS ont été associés à des petits ARN non codants, de courte taille (de 50 à 250 nucléotides en moyenne), qui n’avaient jamais été découverts jusqu’alors, et dont les gènes sont localisés dans des régions intergéniques (sRNA) ou en antisens (asRNA) par rapport aux ORF précédemment annotées dans le génome d’Hp. Nos travaux ont également permis de mettre en évidence une forte activité de transcription antisens sur l’ensemble du génome de la bactérie, un phénomène déjà observé chez E. coli et les eucaryotes. Ainsi, au moins un TSS est localisé sur le brin opposé à 46 % des ORF et à 28% des régions « leaders » des précurseurs des ARNr 23S et 16S, et des ARNt. Enfin, l’approche dRNA-seq a permis l’identification de la première famille de toxines de type I (AapA) identifiée à ce jour chez Hp. Dans ces conditions normales de culture, la traduction de ces toxines est constitutivement réprimée par des petits ARN antisens (IsoA) qui ciblent les ARNm aapA par complémentarité de base. Malgré leur homologie avec des modules toxine-antitoxine identifiés chez d’autres bactéries, pour certaines impliquées dans la réponse aux stress, nous n’avons pas encore découvert les conditions dans lesquelles ces peptides aapA seraient exprimées chez Hp, et leur rôle biologique reste à élucider. / In the past few years, small regulatory RNAs have emerged as an important class of post-transcriptional regulators of gene expression. Indeed they have been identified and/or predicted to exist in all species ranging from bacteria to mammals. The project of this thesis was to search for small non coding RNAs in a human pathogen: Helicobacter pylori (Hp). This bacterium exclusively colonizes the human stomach, an organ that until recently was thought to be sterile due to its extreme acidity. It is now established that persistent colonization by Hp is associated with various gastric pathologies including gastritis, peptic ulcer, gastric cancer and MALT lymphoma. Half of the human population is infected by Hp that is responsible for about 1 million deaths per year and around 6000 cases of gastric cancer in France. During my thesis we , in a close collaboration with the group of Joerg Vogel (RNA biology, MPI, Berlin, Germany) developed a rapid and efficient method to reveal the whole transcriptome of Hp based on recent advances in high-throughput pyrosequencing technologies (HTPS 454 technology, Life Science, USA). By using specifically enriched libraries in primary transcripts, our strategy allowed us to map thousand (1907) of transcription start sites (TSS) on the Hp genome. More than half of these TSS correspond to new short transcripts (non coding RNAs, between 50 and 250 nucleotides in length) that have never been annotated in this genome and that are localized both in intergenic regions (sRNA) and in regions antisense to annotated ORFs (asRNA). Analysis of associations between primary transcription start sites (pTSS) revealed more complexity in the Hp transcriptome than previously anticipated: around one third (27%) of pTSS belong to antisense transcripts (aTSS). The strikingly high degree of antisense transcription occurs, similar to E. coli and higher eukaryotes, across the entire Hp genome. Overall, at least one aTSS is linked to ~46% of all ORFs, ~28% of tRNAs, and the 5’ leaders of 23S and 16S rRNA precursors. Finally our dRNA-seq approach led us to identify the first family of putative type I toxins (AapA) in the Hp genome. Under normal growth conditions these toxins are constitutively repressed by a sophisticated antisense RNA-mediated (IsoA) mechanism. Despite their homology to other toxin-antitoxin modules previously described in other bacteria, we have not found physiological conditions under which these peptides are expressed and have yet to determine the biological significance (if any ?) of these suicide genes.

Le staphylocoque doré (S. aureus) est un pathogène responsable d’infections diverses chez l’homme et l’animal. Il est responsable d’infections suppuratives (furoncles, endocardites, méningites…) ou non suppuratives (toxi-infections alimentaires…). L’émergence de souches bactériennes multi-résistantes aux antibiotiques augmente la gravité des infections et constitue un réel problème de santé publique. Depuis plusieurs années, les chercheurs tentent d’identifier des cibles pour de nouveaux antibiotiques. Parmi elles, les acides ribonucléiques (ARN) dits « régulateurs » constituent un modèle de choix. Environ 200 ARN régulateurs ont été identifiés chez S. aureus, mais jusqu'à maintenant, dans la plupart des cas, leurs fonctions ne sont pas connues. Pour identifier la fonction des ARN régulateurs chez S. aureus, nous avons utilisé une stratégie consistant à mettre en compétition 39 souches différentes dans chacune desquelles un ARN régulateur a été remplacé par une étiquette spécifique identifiable par séquençage. Cette expérience de compétition a été réalisée dans douze conditions de cultures différentes (conditions de stress différents) ainsi que chez un modèle souris. Les résultats de ces expériences ont été obtenus par analyse de séquençage massif haut débit. Un phénotype a été mis en évidence pour 11 des ARN régulateurs étudiés dans les conditions choisies. Nous avons aussi développé une méthode fiable pour identifier les cibles des ARN régulateurs. Cette méthode consistait à utiliser in vitro, ces ARN régulateurs comme appât pour piéger leurs cibles parmi un mélange d’ARN total. Les ARN cibles piégés ont ensuite été séquencés par ARN-seq haut débit. Cette stratégie a été appliquée pour déterminer les cibles de quatre ARN régulateurs chez S. aureus : RsaA, RsaE, RsaH et RNAIII. Plusieurs cibles putatives ont été identifiées et utilisées pour prédire le motif qui serait impliqué dans les interactions entre un ARN régulateur et sa cible. Le dernier chapitre de ce manuscrit concerne l’étude du mécanisme d’action des ARN régulateurs. En général, la liaison de l’ARN régulateur à son ARN messager cible va affecter la stabilité de ce dernier et engendrer sa dégradation par la ribonucléase III (RNase III). Chez S. aureus, RNase III est l’enzyme principalement impliquée dans la dégradation des complexes ARN régulateur-ARN messager (ARN double brin). RNase III a été décrite comme étant non essentielle chez S. aureus. Cependant, nous avons montré que cette ribonucléase est essentielle dans les souches de S. aureus contenant des prophages portant un système toxine/antitoxine (TA) de type I. Dans ces souches, la présence de RNase III est essentielle pour diminuer l’expression de ce système TA et contrer sa toxicité. / Staphylococcus aureus is an opportunistic Gram-positive pathogen bacterium and a leading cause of hospital- and community-acquired infections worldwide. In S. aureus, regulatory RNAs are key mediators in controlling bacterial virulence, viability and adaptability under various environmental conditions. About 200 regulatory RNAs were identified in S. aureus but up to date, their functions in most cases are unknown. To address the function of S. aureus regulatory RNAs, we used a strategy in which competitive fitness experiments were performed with mixed cultures comprising thirty-nine sRNA mutants. A bacterial population made of these mixed mutants was grown in twelve stress conditions and in a mouse model. The results were obtained by deep sequencing analysis. Eleven sRNA gene mutants were found to have an altered fitness in the tested conditions; three of them being requires for solely one studied condition, the others being modified by multiple stress conditions. The absence of sRNA genes generated negative fitness adaptation in all conditions, but one of the mutants had a strong growth defective phenotype at low-temperature. Current investigations indicate that the deleted sequence affects the 3’ end of a mRNA. This sequence is required for an optimum growth in cold conditions and contributes to the stability or translation of the associated mRNA. We also developed a robust procedure to identify reliably sRNA targets based on synthetic sRNAs that were used in vitro as bait to trap their corresponding targets which were subsequently identified by deep sequencing. Using this approach, we found new targets for RsaA, RsaE, RsaH and RNAIII. The binding of sRNAs to targeted mRNAs usually affect their stability by recruiting Ribonucleases (RNases). In S. aureus, RNase III encoded by rnc gene, is a major RNase involved in the degradation of sRNA-mRNA duplexes. RNase III was reported as nonessential in S. aureus. However, we report that the rnc gene is essential in some S. aureus strains due to the presence of prophages carrying type I toxin/antitoxin (TA) system. RNase III in these strains is essential to reduce the expression of TA systems to prevent their toxicity

L’objectif de cette thèse était de progresser dans la compréhension de la régulation génique ARN‑dépendante chez les procaryotes. Le développement de nouvelles approches bioinformatiques a permis de découvrir de nouveaux ARN régulateurs non-codant (ARNrnc), de les caractériser notamment évolutivement et d’identifier leurs cibles putatives. Les ARNrnc ont en commun de pouvoir modifier l’abondance de certaines protéines en interagissant avec l’ARN messager (ARNm) qui les code. Cet effet peut être obtenu selon divers modes d’action qui mènent à la distinction de trois classes d’ARNrnc, les petits ARN régulateurs (pARN), les ARN cis-régulateurs (ARNcis) et les ARN antisens (ARNa). Avec la généralisation des approches d‘identification expérimentale des ARN (transcriptomique), il devient plus facile d’obtenir la liste des pARN que d'identifier les ARNm qu’ils ciblent. Dans le cas des ARNcis, c’est l’inverse, les méthodes expérimentales ne permettent pas de les identifier, mais une fois connus leurs cibles sont évidentes.Pour répondre à ces problématiques, nous avons principalement développé deux nouvelles méthodes : la première permet de prédire des couples pARN/ARNm en se basant leurs profils d’expressions, les résultats nous ont permis de proposer un réseau de régulation pour lequel les pARN auraient un rôle central dans la sporulation bactérienne. La seconde permet d’identifier de nouveaux ARNcis dans les génomes sur la base d’un profilage phylogénétique. Nos résultats nous conduisent à penser que le nombre de pARN et d’ARNcis dans les génomes est actuellement sous estimé. Nous proposons aussi la présence de plusieurs ARNcis chez une Archée, dont un candidat capable de détecter des variations de températures.Les avancées réalisées lors de cette thèse ont permis de mieux appréhender l’importance des ARNrnc dans la régulation génique. Les ARNrnc sont présents dans plus d’organismes et en plus grand nombre que ce que nous le pensions jusqu’à présent. Ces résultats constituent des éléments supplémentaires en faveur d’un rôle plus central des pARN que ce qui était admis jusqu’alors. / The aim of this thesis was to improve our understanding of the RNA-dependent gene regulation in prokaryotes. Newly developed bioinformatics approaches revealed new non-coding regulatory RNAs and allowed us to identify putative targets.Regulatory RNAs can change the abundance of certain proteins by interacting with cognate messenger RNAs (mRNA). This effect is achieved through various modes of action that lead to the distinction of three RNA classes: small RNA (sRNA), cis-regulatory RNA (cisRNA) and antisense RNA (asRNA). With the generalization of experimental RNA identification (transcriptomics), it becomes easier to obtain the list of expressed RNA but most of their target mRNA remain unknown. Conversely, cisRNA cannot be easily identified through experimental procedures but their targets are obvious.To address these issues, we developed two new methods: the first predicts pairs of sRNA and mRNA targets based on the analysis of expression profiles and led us to propose a new regulatory network with sRNAs playing a central role in bacterial sporulation. The second identifies new RNAs in genomes based on the analysis of phylogenetic profiles. Our results suggest that the abundance of sRNAs and cisRNA were previously underestimated. We also suggest the presence of several cisRNAs in an Archaea, including a strong candidate of thermosensitive regulator.Progress made in this thesis contributed to a better understanding of RNA importance in bacterial cell regulation. Regulatory RNAs are abundant and present in more organisms than expected previously. These results are new evidences that the physiological roles of sRNAs are more central than was previously thought.

Les petits ARN régulateurs et les systèmes à deux composants sont des régulateurs très répandus de l’expression des gènes chez les bactéries. Dans la plupart des cas, les systèmes à deux composants agissent comme des régulateurs transcriptionnels. Un grand nombre de petits ARN agissent quant à eux au niveau post-transcriptionnel en modulant la traduction et/ou la stabilité de leur(s) ARN messager(s)-cible. Des connexions entre ces deux systèmes ont récemment pu mettre en lumière des circuits de régulations complexes aux propriétés encore peu connues.Mon travail a tout d’abord porté sur la connexion entre le système à deux composants EnvZ-OmpR et les petits ARN OmrA et OmrB chez Escherichia coli. Dans un premier temps, nous avons montré qu’OmpR activait directement la transcription d’omrA et d’omrB en se fixant à leur promoteur. Cette activation permet la production des petits ARN OmrA et OmrB qui, via leur extrémité 5’ conservée, ciblent à leur tour plusieurs ARN messagers-cibles et notamment le messager ompR-envZ. En accord avec des études précédentes, le contrôle d’ompR-envZ par les Omr n’affecte pas le niveau de forme phosphorylée d’OmpR. Ce phénomène posait donc la question de l’intérêt d’une telle régulation. Nous avons ensuite pu montrer que la régulation d’omrA et d’omrB est assez unique car leurs promoteurs répondent non seulement à la forme phosphorylée mais aussi à la forme non phosphorylée d’OmpR. Ce phénomène permet à ces ARN régulateurs de limiter leur propre synthèse en ayant un effet limité sur l’expression des autres cibles d’OmpR comme les porines OmpC et OmpF.Ce travail nous a conduits à chercher à caractériser d’autres exemples de modulation des systèmes à deux composants par des petits ARN régulateurs. Nous avons notamment étudié la régulation du système NarQ-NarP. En effet, nos travaux ont montré que la synthèse de narP était contrôlée par le petit ARN RprA. Cette régulation semble affecter les cibles de NarP et en particulier l’opéron napFDAGHBC. De plus, RprA répondrait au même stimulus que le système NarQ-NarP créant ainsi un lien physiologique entre le petit ARN et sa cible.Pour finir, un autre aspect de ce travail de thèse a été de s’intéresser à la régulation d’OmrA/B dans un contexte d’infection des macrophages par une souche d’Escherichia coli pathogène, la souche LF82. En effet, des données suggéraient que ces petits ARN étaient induits au cours de l’infection. J’ai pu valider ces données et montrer que cette induction était dépendante de la présence du système EnvZ/OmpR.En conclusion, j’ai pu montrer par diverses approches que les circuits de régulation intégrant des systèmes à deux composants et des petits ARN régulateurs possédaient des propriétés assez inédites permettant à la bactérie de s’adapter à divers stress. / Small regulatory RNA (sRNAs) and two component systems (TCS) are both widespread regulators of gene expression in bacteria. While TCS are mostly transcriptional regulators, a large class of sRNAs acts as post-transcriptional regulators of gene expression by modulating translation and/or stability of target-mRNAs. Many connections have recently been unraveled between these two types of regulators, resulting in mixed regulatory circuits with poorly characterized properties.First, we have investigated in details the negative feedback circuit that exists between the EnvZ-OmpR TCS and the OmrA/B sRNAs in Escherichia coli. We have found that OmpR directly activates transcription from omrA and omrB promoters, allowing production of OmrA/B sRNAs that target multiple mRNAs through their conserved 5’ end, including the ompR-envZ mRNA. In agreement with previous reports, we have found that this control of ompR-envZ by OmrA/B sRNAs does not affect the amount of OmpR-P i.e. the presumably active form of the regulator. This phenomenon therefore raised the question of the possible interest of such a regulation. Thereafter, we found that OmrA/B regulation is really unique because they respond to the phosphorylated form but also to the unphosphorylated form of OmpR. As a result, OmrA/B limit their own synthesis while they have only a limited effect on others targets of OmpR, such as the OmpC or OmpF porins.This work led us to try to characterize other examples of modulation of two-component systems synthesis by small regulatory RNAs. In particular, we studied the regulation of the NarQ-NarP system. Indeed, our work showed that the synthesis of narP is controlled by the RprA sRNA. This regulation appears to affect NarP targets and in particular the napFDAGHBC operon. Moreover, RprA would respond to the same stimulus as the NarQ-NarP system, thus creating a physiological link between the small RNA and its target.Finally, another aspect of this work was to study the regulation of OmrA/B in a context of infection of macrophages by an Escherichia coli pathogenic strain, LF82. Indeed, data suggested that these small RNAs were induced during infection. I was able to validate these data and showed that this induction was dependent on the presence of the EnvZ-OmpR system.

Durant ma thèse, je me suis intéressé à deux ARN régulateurs procaryotiques. Le premier, l'ARNIII, est un ARN multifonctionnel qui régule l'expression des gènes de virulence chez Staphylococcus aureus. Le second, CopA, est un ARN strictement complémentaire à sa cible et régule le taux de réplication du plasmide R1. L'ARNIII réprime l'expression des facteurs d'adhésion et active la synthèse des toxines en fin de phase exponentielle de croissance. Nous avons montré que le domaine 3' de l'ARNIII est nécessaire et suffisant pour l'inhibition de l'expression de deux protéines au niveau post-transcriptionnel, la protéine A et SA1000. La fixation de l'ARNIII à ses cibles est initiée par un contact boucle-boucle qui est rapidement converti en un duplex étendu. Ce duplex est ensuite la cible de la RNase III pour induire la dégradation rapide de l'ARNm. Nous avons également montré que la protéine Hfq est un ligand de l'ARNIII. Cette protéine est généralement impliquée dans des mécanismes de régulation basés sur des ARN régulateurs. La fonction de cette interaction dans la virulence de S. aureus est en cours d'étude.<br />L'ARN antisens CopA régule le taux de réplication du plasmide R1 en contrôlant la synthèse de la protéine initiatrice de la réplication, RepA. La fixation de CopA à sa cible, l'ARNm repA, inhibe la traduction et favorise la dégradation de l'ARNm par la RNase III. L'interaction entre les deux ARN conduit à la formation d'un complexe irréversible. Ce complexe n'est pas un duplex étendu, mais contient une jonction à quatre hélices stabilisée par une longue hélice intermoléculaire, l'hélice C. Nous avons montré que les structures des deux ARN ont évoluées afin de bloquer la progression du complexe irréversible vers le duplex étendu. De plus, nous avons montré que au sein du complexe irréversible, l'hélice C est reconnue efficacement par la RNase III au niveau de sites préférentiels.