Pour s’adaptater à l’environnement et répondre aux besoins énergétiques, tous les organismes doivent pouvoir contrôler l’expression de certains gènes. La trancription constitue le premier échelon de cette régulation en déterminant le niveau d’ARNm produit au cours du temps. Chez les procaryotes, une seule ARNp est responsable de la synthèse de l’ensemble des ARN de la cellule et celle-ci est soumise à différents types de régulation. Ce contrôle peut s’effectuer à tous les niveaux par des processus faisant intervenir bon nombre de facteurs externes ou intrinsèques à la transcription comme les pauses de l’ARNp. Les riborégulateurs sont des ARN structurés majoritairement retrouvés dans la région 5’ non traduite des ARNm bactériens qui vont réguler l’expression du gène situé en aval. Suite à la liaison d’un métabolite particulier, appelé ligand, le riborégulateur change de conformation induisant une réponse directe qui déterminera si un gène est exprimé ou non. Au cours de mes travaux j’ai établi le lien qu’il existait entre les pauses de l’ARNp au cours de la transcription et la structure des riborégulateurs. En prenant pour modèles deux riborégulateurs liant le TPP, j’ai identifié une conformation des riborégulateurs qui est réfractaire à la liaison du ligand. Cette structure appelée «Anti-P1» se forme lorsque l’ARNp pause à la fin du riborégulateur, ce qui détermine une fenêtre de liaison cotranscriptionnelle du ligand.

Les bactéries magnétotactiques synthétisent des organites spécialisés appelés magnétosomes. Ils sont composés d'un cristal magnétique entouré d'une membrane et de protéines spécifiques. Arrangés en chaîne dans la bactérie, ils orientent la bactérie dans le champ magnétique, ce qui simplifierait sa recherche d’environnements microaérophiles. Dans le génome de toutes les souches magnétotactiques séquencées, l'îlot génomique de magnétotaxie contient les gènes impliqués dans la formation des magnétosomes. Nous avons procédé à l’annotation du génome de la souche magnétotactique marine QH-2 et montré que la région du génome codant les gènes de la magnétotaxie n'est, dans ce cas, pas définie comme un îlot génomique, bien qu’elle ait été acquise par transfert latéral de gènes. Dans le génome de M. magneticum AMB-1, nous avons identifié un nouvel îlot génomique de petite taille que nous avons appelé l'îlet de magnétotaxie portant 7 gènes homologues à des gènes liés à la synthèse des magnétosomes. Pour répondre à la question de la fonction biologique de cet îlet génomique, nous avons examiné le rôle de l'un des sept gènes, mamK-like. MamK-like exprimée dans E. coli forme des filaments, comme observé pour MamK. La polymérisation in vitro des deux protéines est également comparable, mais présente des différences structurales. En outre, nous démontrons que mamK-like est transcrite dans AMB-1 de type sauvage et dans le mutant ΔmamK. Par immuno-marquage, nous montrons la présence d'un filament dans le mutant ΔmamK, probablement dû à MamK-like. Nous émettons l'hypothèse que ce filament contribue à maintenir l’organisation en chaîne des magnétosomes dans la souche mutante. / Magnetotactic bacteria synthesise specialised organelles called magnetosomes. They are composed of a magnetic crystal surrounded by a lipid bilayer and specific proteins. Arranged in chains, they orient magnetotactic bacteria in the geomagnetic field, thereby simplifying their search for their microaerophilic environments. In each sequenced magnetotactic strain, the magnetotaxis genomic island contains the genes involved in magnetosomes formation. Our annotation of the newly sequenced genome of the magnetotactic strain QH-2 shows that the region coding the magnetotaxis genes is not a genomic island, though it has been acquired by lateral genes transfer. In the genome of M. magneticum AMB-1 we identified a new, small genomic island we termed the magnetotaxis islet, encoding 7 genes homologous to genes related to the magnetosomes synthesis. To assess the question of the biological function of this genomic islet, we further investigated the role of one of the seven genes, mamK-like. Filaments were observed in E. coli cells expressing MamK-like-Venus fusion by fluorescence microscopy. In vitro polymerization of both isoforms is comparable, though some differences are present at the structural level. In addition, we demonstrate that mamK-like is transcribed in AMB-1 wild-type and ΔmamK mutant cells. Immunolabelling assay using an anti-MamK antibody reveals the presence of a filament in the ΔmamK mutant. We hypothesise that this filament is due to MamK-like and that it helps maintaining a chain-like organisation of magnetosomes in the mutant strain.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Jusqu’à 40% des protéines sont connues pour fixer des métaux, ces hétéroatomes jouant un rôle capital dans la régulation, la catalyse ou le maintien de la structure de ces protéines. Ces métalloprotéines sont ubiquitaires et d’une importance primordiale dans les trois domaines du vivant. Cependant, les méthodes actuelles dédiées à l’identification des membres de cette grande famille dans les protéomes bactériens sont soit inadaptées pour des approches à grande échelle, soit présentent des performances relativement limitées en l’absence d’une structure tridimensionnelle résolue. Dans ce contexte, différents outils d’analyse de séquence ont été testés, en recherchant des descripteurs de ces protéines (e.g. motifs, domaines conservés, empreintes phylogénétiques). Pour pallier le relatif manque de sensibilité de ceux-ci, de nouveaux descripteurs ont été construits, dédiés spécifiquement à l’identification des protéines à centre fer-soufre : (i) des profils de co-conservation des ligands du métal et (ii) des profile-HMMs adaptés à la détection d’homologues distants. Les pouvoirs prédictifs respectifs de ces catégories de descripteurs ont été évalués sur un jeu de protéines fer-soufre expertisé, en les considérant soit séparément soit en combinaison. L’ensemble de ces descripteurs a finalement été intégré dans un modèle linéaire généralisé en utilisant la technique d’elastic-net. Le modèle prédictif obtenu a été évalué sur le protéome complet d’Escherichia coli, sur lequel il atteint une précision de 89% et une sensibilité de 83%. Enfin, il a été appliqué à environ 300 protéomes pour explorer différentes relations biologiques comme l’abondance relative des protéines Fe-S et la tolérance à l’oxygène des organismes auxquelles elles appartiennent. / Up to 40% of all proteins are known to bind metals, the intrinsic metal atoms providing catalytic, regulatory and/or structural roles critical to their functions. These metalloproteins are ubiquitous and of major importance within the three domains of life. However, current methods dedicated to identifying members of this large family within bacterial proteomes are either not suitable for large-scale approach or are of relatively limited performance when no 3D structural template is available. Within this context, different sequence analysis tools relying on different category of protein descriptors (e.g. patterns, conserved domains, phylogenetic prints) were assessed. To overcome their relative lack of sensibility, new descriptors, specific towards iron-sulfur proteins identification were built: (i) co-conservation profiles of the metal ligands and (ii) tailored profile-HMMs for remote homologs detection. Their respective predictive power towards the identification of a manually curated iron-sulfur proteins dataset were assessed, either separately or in combination. All relevant descriptors were finally gathered into a generalized linear model by using the elastic-net method. The predictive model has been evaluated on Escherichia coli whole proteome resulting in a precision of 89% and a recall of 83%. Eventually, it has been applied to 300 proteomes allowing investigating different biological relationships, such as iron-sulfur proteins relative abundances and the oxygen dependency of bacterial organisms.

Ce mémoire rapporte deux approches de la synthèse des protéines à l'échelle de la molécule unique. Nous utilisons la microscopie de fluorescence en onde évanescente pour sonder l'activité traductionnelle de deux types de ribosomes. Les premiers, issus d'E. Coli (organisme procaryote), sont mutés afin de les marquer d'un nanocristal semiconducteur (QD). La fin de la traduction, qui correspond au décrochage du ribosome de l'ARNm lorsque celui-ci atteint le codon stop, est alors mise en évidence par la disparition du QD de la surface de l'échantillon. Le deuxième type de ribosome étudié est quant à lui extrait de cellules de lapins (organisme eucaryote) et est dit "sauvage", c'est à dire qu'il n'a pas subi de modification, tandis qu'un oligonucléotide marqué d'un fluorophore est hybridé à l'ARNm. L'activité hélicase du ribosome lui permettant de séparer deux brins complémentaires, l'oligonucléotide et donc le fluorophore disparaissent en même temps que le ribosome parcourt l'ARNm, permettant ainsi de sonder l'activité du ribosome. Nous donnons pour ces deux types de ribosomes une vitesse moyenne de la traduction dans des milieux contenant les facteurs de la traduction issus d'extraits cellulaires.La deuxième approche de la synthèse des protéines porte sur les propriétés de l'ARNm, support de l'information génétique codant pour la séquence des protéines. Nous avons développé un montage de pince optique permettant de manipuler et caractériser les propriétés mécaniques d'oligonucléotides, ainsi qu'une méthode originale de calibration de ce piège optique. La cohérence de nos mesures sur l'étirement d'un double brin d'ADN avec la littérature nous permettra de poursuivre notre étude sur la mesure des forces nécessaires pour ouvrir une structure secondaire de l'ARNm. / We hereby report two approaches of the protein synthesis at the single molecule level. We use total internal reflection fluorescence microscopy to study the translation kinetic of two different types of ribosomes. The first ones, extracted from E. Coli (prokaryotic organism), are mutated in order to label them with a quantum dot (QD). The end of translation, which corresponds to the dissociation of the ribosome from the mRNA when the stop codon has been reached, is highlighted by the disparition of the QD from the surface. The second type of ribosome is extracted from rabbit cells (eukaryotic organism) and has not been modified (wild type), while a labeled oligonucleotide is hybridized on the mRNA. The helicase activity of the ribosome allowing the dissociation of two complementary strands, the oligonucleotide and so the label disappear at the same time while the ribosome moves along the mRNA and thus inform us about its activity. For these two types of ribosomes we measure their average translation speed in cell extracts.The second approach focuses on the properties of the mRNA, carrying the genetic code for the protein sequence. We developped an optical tweezer setup in order to manipulate and characterize the mechanical properties of nucleotides, as well as an original method to calibrate this optical trap. The consistency of our measurements with the litterature on the properties of a double stranded DNA will allow us to study secondary structures of mRNA.

Les organismes vivants sont soumis à diverses pressions de sélection qui n'agissent pas seulement au niveau du phénotype global mais à chaque niveau de l'organisation de la cellule.<br />Nous avons analysé la composition globale en acides aminés de l'ensemble les protéines de chaque protéomes étudiés à l'aide, entres autres, de l'Analyse Factorielle des Correspondances et d'un outil de partitionnement, les nuées dynamiques.<br />Ont été étudiés<br />(i) les modèles microbiens les mieux connus E. coli, B. subtilis et M. jannaschii,<br />(ii) un échantillon représentatif du monde procaryote de 28 organismes aux caractéristiques les plus diverses,<br />(iii) la pathogénicité de P. luminescens,<br />(iv) la qualité psychrophile de la bactérie P. haloplanktis, dont la vie à basse température est caractérisée par des<br />protéines fortement biaisées en asparagine et<br />(v) une perspective d'application aux eucaryotes simples est évoquée au regard des travaux préliminaires sur l'usage<br />des codons de P. marneffei, un chamipgnon dimorphique et pathogène.

Les bactéries magnétotactiques représentent un groupe d’une grande diversité écologique et phylogénétique. Elles sont capables de biominéraliser des nanocristaux de magnétite [un oxyde de fer (Fe(II)Fe(III)2O4)] ou de greigite [un sulfure de fer (Fe(II)Fe(III)2S4)] dans leurs magnétosomes, organites alignés en chaînes permettant la navigation le long des lignes de champ magnétique terrestre. Jusqu'à récemment, seules des souches produisant de la magnétite étaient disponibles en culture pure, conduisant à des études sur les mécanismes de biominéralisation de cet oxyde de fer. En 2011, une nouvelle bactérie capable de former de la magnétite et de la greigite, Desulfamplus magnetovallimortis souche BW-1, a été cultivée avec succès en laboratoire. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche intégrée et multidisciplinaire pour comprendre les mécanismes de biominéralisation de la greigite en utilisant comme modèle d’étude la souche BW-1. Nous avons donc cherché à déterminer les conditions environnementales et biologiques favorisant la formation de la magnétite et de la greigite. Ces travaux ont également conduit à la caractérisation physiologique et phylogénétique de BW-1. Puis, l’utilisation d’approches globales et ciblées de transcriptomique ont permis d'évaluer le taux d'expression des gènes impliqués dans la formation des magnétosomes (magnétite vs. greigite) dans diverses conditions de croissance. Une approche de protéomique a permis d’apporter des informations supplémentaires à cette étude. Ces résultats ont permis de progresser dans la compréhension fondamentale de la biominéralisation in vivo, en particulier pour des bactéries formant de la greigite. / Magnetotactic bacteria represent a phylogenetically and ecologically diverse group of prokaryotes able to biomineralize magnetic nanocrystals composed of magnetite [an iron oxide (Fe(II)Fe(III)2O4)] or greigite [an iron sulfide (Fe(II)Fe(III)2S4)] in their magnetosomes, a prokaryotic organelle whose cytoplasmic alignement in chain allows the cell to navigate along the Earth’s magnetic field lines. Until recently, only magnetite-producing strains were available in pure culture. Thus, only the magnetite biomineralization has been studied. In 2011, a new bacterium able to form both magnetite and greigite, Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1, was isolated from Death Valley, California and cultivated in pure culture. In this work, we propose to use an integrated and multidisciplinary approach to understand the mechanisms involved in greigite biomineralization in BW-1 strain. First, we determined the environmental and biological conditions in which magnetite and greigite are formed. This first part of my thesis also contributed to the physiologic and phylogenetic characterization of this bacterium. Secondly, we used global and targeted transcriptomic approaches to evaluate the transcription levels of genes putatively involved in magnetosomes formation (magnetite vs. greigite) under various growth conditions. A proteomic approach provided additional informations to this study.Results obtained during my thesis contribute to the understanding of in vivo biomineralization, particularly for greigite production in magnetotactic bacteria.

La stratégie experte semi-automatique de prédiction de Séquences CoDantes (CDS) d'un chromosome procaryote est fondée sur le modèle statistique des chaînes de Markov. Elle est constituée des stratégies AMIMat pour l'apprentissage de l'hétérogénéité de composition des CDS d'un chromosome et AMIGene pour la reconnaissance et le filtrage des CDS les plus probables. AMIMat permet de construire k matrices de transition à partir de k classes de gènes définies selon l'usage des codons synonymes. La précision d' AMIGene dépend de la qualité des matrices et d'autres paramètres validés automatiquement par rapport à des annotations de référence. Autour de ces stratégies, un processus de réannotation de génome complet a été développé, en interaction avec notre base multigénome PkGDB, qui facilite l'homogénéisation des annotations des banques. Ce processus de (ré)annotation est utilisé dans de nombreux projets : Bacillus, Neisseria, Acinetobacter, Entérobactéries.

L'étude des modifications post-traductionnelles a connu au cours des dernières années un regain d'intérêt notable. Tout d'abord car elle s'effectue aujourd'hui au travers d'approches basées sur la spectrométrie de masse, technique qui pendant cette période a connu de profonds bouleversements, conduisant à des études plus aisées et systématiques.Mais aussi car tant par leur variété que par le rôle qu'elles jouent dans la vie et la régulation cellulaire, ces modifications ne peuvent plus être négligées. Par ailleurs au cours de ces quinze dernières années, nous avons assisté concernant les procaryotes à un changement total de paradigme. En effet à la fin des années 90, l'idée dominante était que ces modifications pouvaient exister chez ceux-ci mais de façon très partielle et/ou très particulière.Dans ce travail, les divers degrés d'iodation de la tyrosine ont été sondés par une approche de type «shotgun » sur un organe entier, la thyroïde de souris. L'efficacité de ce type d'approche démontrée, les modifications post-traductionnelles potentiellement présentes dans des organismes modèles radiorésistants, la bactérie Deinococcus deserti et l'archée Thermococcus gammatolerans ont été analysées. Dans le premier cas, les données de protéomique montrent que de nombreuses acétylations N-terminales portent sur un motif spécifique (essentiellement des thréonines et sérines), cas très atypique pour une bactérie. Chez Thermococcus gammatolerans les acétylations N-terminales sont rares, mais la présence d'acétylations sur les chaînes latérales des lysines est notable. La présence de phosphorylations sur ces mêmes protéines, laisse entrevoir un possible phénomène de « cross talk » entre les lysines acétylées et les sérines et/ou thréonines phosphorylées.Ici, nous démontrons que la complexité du protéome chez les procaryotes par le biais des MPT est bien réelle et que de possibles interdépendances entre MPT mériteraient un regard nouveau. / Recently, the study of post-translational modifications has greatly evolved, mainly because of crucial progresses in mass spectrometry methodology which have allowed high-throughput, high resolution analysis. Their variety and their role in the regulation of key molecular mechanisms are increasingly documented. In this work, the different degrees of iodination of tyrosine were probed with a "shotgun" approach carried out from an entire organ, the mice thyroid. Post-translational modifications present in two radioresistant organism models, the bacterium Deinococcus deserti and the archaeon Thermococcus gammatolerans, were analyzed. The large scale exploration of N-terminal acetylation in D. deserti indicates a specific pattern of this modification on serine and threonine, as well as an atypical, high propension to acetylation with 50% of modified N-termini. In T. gammatolerans, N-terminal acetylation is rare, but the presence of acetylation on lysine side chains is significant. The presence of phosphorylation on these proteins suggests a potential "cross talk" between the acetylated lysine and phosphorylated serine or threonine residues. This work demonstrates that the complexity of the proteome in prokaryotes through post-translational modifications is higher than expected when extremophiles are scrutinized compared to classical prokaryote models. Interdependencies between post-translational modifications definitively deserve a fresher look.

Ce mémoire rapporte deux approches de la synthèse des protéines à l'échelle de la molécule unique. Nous utilisons la microscopie de fluorescence en onde évanescente pour sonder l'activité traductionnelle de deux types de ribosomes. Les premiers, issus d'E. Coli (organisme procaryote), sont mutés afin de les marquer d'un nanocristal semiconducteur (QD). La fin de la traduction, qui correspond au décrochage du ribosome de l'ARNm lorsque celui-ci atteint le codon stop, est alors mise en évidence par la disparition du QD de la surface de l'échantillon. Le deuxième type de ribosome étudié est quant à lui extrait de cellules de lapins (organisme eucaryote) et est dit "sauvage", c'est à dire qu'il n'a pas subi de modification, tandis qu'un oligonucléotide marqué d'un fluorophore est hybridé à l'ARNm. L'activité hélicase du ribosome lui permettant de séparer deux brins complémentaires, l'oligonucléotide et donc le fluorophore disparaissent en même temps que le ribosome parcourt l'ARNm, permettant ainsi de sonder l'activité du ribosome. Nous donnons pour ces deux types de ribosomes une vitesse moyenne de la traduction dans des milieux contenant les facteurs de la traduction issus d'extraits cellulaires.La deuxième approche de la synthèse des protéines porte sur les propriétés de l'ARNm, support de l'information génétique codant pour la séquence des protéines. Nous avons développé un montage de pince optique permettant de manipuler et caractériser les propriétés mécaniques d'oligonucléotides, ainsi qu'une méthode originale de calibration de ce piège optique. La cohérence de nos mesures sur l'étirement d'un double brin d'ADN avec la littérature nous permettra de poursuivre notre étude sur la mesure des forces nécessaires pour ouvrir une structure secondaire de l'ARNm.