Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes. / R-loops generated during transcription elongation are implicated in many DNA reactions, including replication, recombination and gene expression both in prokaryotes and in eukaryotes. Many studies have shown that negative supercoils excess and G-rich sequences induce the formation of R-loops. Up to now, our results allow us to establish a direct link between topoisomerases, supercoiling level, and the formation of R-loops. However, what the physiological significance, if any, of R-loops is still largely unknown. In the first article, a detailed study on double topA rnhA mutants showed that the depletion of RNase HI activity induces a cellular response which renders gyrase unable to perform supercoils. This is the first evidence implicating RNase HI as a major player in DNA supercoiling regulation. Our results also show that R-loops formation can lead to the inhibition of gene expression. However, the exact mechanism(s) leading to the inhibition of gene expression are not yet understood. The accumulation of shorter than full length RNAs could be caused by road-blocks during transcription elongation or by the degradation of full length RNAs. In the second article, we show that hypernegative supercoiling can lead to sequence independent R-loop formation. The physiological consequence is extensive RNA degradation which ultimately culminates in the formation of truncated proteins. In conclusion, this study clearly shows a close link between RNase HI activity, R-loop formation, DNA topology and gene expression. In addition, this study also provides some evidence for the synthesis of a gyrase inhibitor that can regulate gyrase activity directly or indirectly via unidentified mechanisms. This surprising observation is still preliminary taking into consideration that many antibiotics target gyrase. Finally results from this study could open up avenues for research in eukaryotes.

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes. / R-loops generated during transcription elongation are implicated in many DNA reactions, including replication, recombination and gene expression both in prokaryotes and in eukaryotes. Many studies have shown that negative supercoils excess and G-rich sequences induce the formation of R-loops. Up to now, our results allow us to establish a direct link between topoisomerases, supercoiling level, and the formation of R-loops. However, what the physiological significance, if any, of R-loops is still largely unknown. In the first article, a detailed study on double topA rnhA mutants showed that the depletion of RNase HI activity induces a cellular response which renders gyrase unable to perform supercoils. This is the first evidence implicating RNase HI as a major player in DNA supercoiling regulation. Our results also show that R-loops formation can lead to the inhibition of gene expression. However, the exact mechanism(s) leading to the inhibition of gene expression are not yet understood. The accumulation of shorter than full length RNAs could be caused by road-blocks during transcription elongation or by the degradation of full length RNAs. In the second article, we show that hypernegative supercoiling can lead to sequence independent R-loop formation. The physiological consequence is extensive RNA degradation which ultimately culminates in the formation of truncated proteins. In conclusion, this study clearly shows a close link between RNase HI activity, R-loop formation, DNA topology and gene expression. In addition, this study also provides some evidence for the synthesis of a gyrase inhibitor that can regulate gyrase activity directly or indirectly via unidentified mechanisms. This surprising observation is still preliminary taking into consideration that many antibiotics target gyrase. Finally results from this study could open up avenues for research in eukaryotes.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus. / Important fluctuations of DNA supercoiling occur during transcription in the frame of the “twin supercoiled domain” model. In this model, transcription elongation generates negative and positive supercoiling respectively, upstream and downstream of the moving RNA polymerase. The major role of bacterial topoisomerase I is to prevent the accumulation of transcription-induced negative supercoiling. In its absence, the accumulation of negative supercoiling triggers R-loop formation which inhibits bacterial growth. R-loops are DNA/RNA hybrids formed during transcription when the nascent RNA hybridizes with the template strand thus, leaving the non-template strand single stranded. In cells lacking DNA topoisomerase I, a constant and selective pressure for the acquisition of compensatory mutations in gyrase genes reduces the negative supercoiling level of the chromosome and allows growth. One of these mutations is a thermosensitive gyrase expressed at 37 °C. The overexpression of RNase HI, an enzyme that degrades the RNA moiety of an R-loop, is also able to correct growth inhibition in absence of topoisomerase I. In the presence of topoisomerase I, R-loops can also form when RNase HI is lacking. In these mutants, R-loop formation induces SOS and constitutive stable DNA replication (cSDR). In our study, we show how R-loops formed in cells lacking topoisomerase I or RNase HI can affect bacterial growth. When topoisomerase I is inactivated, the accumulation of hypernegative supercoiling inhibits growth by causing extensive R-loop formation which, in turn, can lead to RNA degradation. As a result of RNA degradation, the accumulation of truncated and functional mRNA instead of full length ones, is responsible for protein synthesis inhibition that alters bacterial growth. The mechanism by which RNA is degraded is not completely clear but our results strongly suggest that RNase HI is involved in this process. More importantly, the major endoribonuclease, RNase E, is not involved in RNA degradation because RNA is degraded before its action. We show also that there is a perfect correlation between RNase HI concentration, the accumulation of hypernegative supercoiling and bacterial growth inhibition. When RNase HI is in excess, no accumulation of hypernegative supercoiling and growth inhibition are observed. The opposite is true when RNase HI is at its wild type level. By preventing the accumulation of hypernegative supercoiling, the overproduction of RNase HI inhibits extensive R-loop formation and RNA degradation, thus, allowing growth. In absence of RNase HI (rnhA) and in presence of topoisomerase I, R-loops are also responsible for an inhibition in gene expression, including stress genes such as rpoH and grpE. The inhibition of gene expression is not related to RNA degradation as seen in absence of topoisomerase I but it is rather related to a reduction in gene expression. In absence of RNase HI, the diminution of genes expression is responsible for a reduction in the cellular level of proteins, which negatively affects bacterial growth and bacterial survival to heat shock and oxydative stress. Additional mutations in RecA, the protein that activates SOS and cSDR after R-loop formation in rnhA, do not correct this phenotype in rnhA. Thus, SOS and cSDR are not directly involved in the inhibition of gene expression in the absence of RNase HI. In absence of topoisomerase I, growth inhibition resumes when hypernegative supercoiling is reduced. When compared to wild type strains, DNA is very relaxed in absence of RNase HI and topoisomerase I. It seems that R-loop formation induces the relaxation of negatively supercoiled DNA. All this strongly supports the idea that negative supercoiling plays an important role in R-loop formation. Finally, our work shows how essential negative supercoiling regulation is for cell physiology. By preventing R-loop formation, regulation of negative supercoiling allows optimal gene expression, which is crucial for cellular growth and for stress survival. Both topoisomerase I and RNase HI play an important and complementary role in this process.

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Les topoisomérases I (topA) et III (topB) sont les deux topoisomérases (topos) de type IA d’Escherichia coli. La fonction principale de la topo I est la relaxation de l’excès de surenroulement négatif, tandis que peu d’information est disponible sur le rôle de la topo III. Les cellules pour lesquelles les deux topoisomérases de type IA sont manquantes souffrent d’une croissance difficile ainsi que de défauts de ségrégation sévères. Nous démontrons que ces problèmes sont majoritairement attribuables à des mutations dans la gyrase qui empêchent l’accumulation d’excès de surenroulement négatif chez les mutants sans topA. L’augmentation de l’activité de la gyrase réalisée par le remplacement de l’allèle gyrB(Ts) par le gène de type sauvage ou par l’exposition des souches gyrB(Ts) à une température permissive, permet la correction significative de la croissance et de la ségrégation des cellules topos de type IA. Nous démontrons également que les mutants topB sont hypersensibles à l’inhibition de la gyrase par la novobiocine. La réplication non-régulée en l’absence de topA et de rnhA (RNase HI) augmente la nécessité de l’activité de la topoisomérase III. De plus, en l’absence de topA et de rnhA, la surproduction de la topoisomérase III permet de réduire la dégradation importante d’ADN qui est observée en l’absence de recA (RecA). Nous proposons un rôle pour la topoisomérase III dans la ségrégation des chromosomes lorsque l’activité de la gyrase n’est pas optimale, par la réduction des collisions fourches de réplication s’observant particulièrement en l’absence de la topo I et de la RNase HI. / E. coli possesses two type IA topoisomerases (topos), namely topo I (topA) and topo III (topB). The major function of topo I is the relaxation of excess negative supercoiling. Much less is known about the function of topo III. Cells lacking both type IA topos suffer from severe chromosome segregation and growth defects. We show that these defects are mostly related to the presence of gyrase mutations that prevent excess negative supercoiling in topA null mutants. Indeed, increasing gyrase activity by spontaneous mutations, by substituting a gyrB(Ts) allele for a wild-type one or by exposing cells carrying the gyrB(Ts) allele to permissive temperatures, significantly corrected the growth and segregation defects of cells lacking type IA topo activity. We also found that topB mutants are hypersensitive to novobiocin due to gyrase inhibition. Our data also suggest that unregulated replication occurring in the absence of topA and rnhA (RNase HI) exacerbates the need for topo III activity. Moreover, when topA and rnhA were absent, we found that topo III overproduction reduced the extensive DNA degradation that took place in the absence of recA (RecA). All together, our results lead us to propose a role for topo III in chromosome segregation when gyrase activity is suboptimal, thus reducing replication forks collapse, especially when replication is unregulated due to the absence of topo I and RNase HI.

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes. / DNA supercoiling is important for all cellular processes that require strand separation and is regulated by the opposing enzymatic effects of DNA topoisomerases. Gyrase uses ATP to introduce negative supercoils while topoisomerase I (topA) and topoisomerase IV relax negative supercoils. Cells lacking topoisomerase I are only viable if they have compensatory mutations in gyrase genes that reduce the negative supercoiling level of the chromosome to allow bacterial growth. One such mutation leads to the production of a thermosensitive gyrase (gyrB(Ts)). Gyrase driven supercoiling during transcription in the absence of topoisomerase I causes the accumulation of hypernegatively supercoiled plasmid DNAs due to the formation of R-loops. Overproducing RNase HI (rnhA), an enzyme that degrades the RNA moiety of R-loops, prevents the accumulation of hypernegative supercoils. In the absence of RNase HI alone, R-loops are equally formed and can be used to prime DNA replication independently of oriC/DnaA, a phenomenon known as constitutive stable DNA replication (cSDR). To better understand the link between R-loop formation and hypernegative supercoiling, we constructed a conditional topA rnhA gyrB(Ts) mutant with RNase HI being conditionally expressed from a plasmid borne gene. We found that the DNA of topA rnhA gyrB(Ts) cells was extensively relaxed instead of being hypernegatively supercoiled following the depletion of RNase HI. Relaxation was found to be unrelated to the activity of topoisomerase IV. Cells of topA rnhA gyrB(Ts) formed long filaments full of DNA, consistent with segregation defect. Overproducing topoisomerase III (topB), an enzyme that can perform decatenation, corrected the segregation problems without restoring supercoiling. We found that extracts of topA rnhA gyrB(Ts) cells inhibited gyrase supercoiling activity of wild type cells extracts in vitro, suggesting that the depletion of RNase HI triggered a cell response that inhibited the supercoiling activity of gyrase. Gyrase supercoiling assays in vivo as well as in crude cell extracts revealed that the ATP dependent supercoiling reaction of gyrase was inhibited while the ATP independent relaxation reaction was unaffected. Genetic suppressors of a triple topA rnhA gyrB(Ts) strain that restored supercoiling and corrected the chromosome segregation defects mostly mapped to genes that affected DNA replication, R-loop metabolism and fimbriae formation. The second part of this project aimed at understanding the roles of type IA DNA topoisomerases (topoisomerase I and topoisomerase III) in chromosome segregation and genome maintenance in E. coli. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in chromosome segregation we employed genetic approaches combined with flow cytometry, Western blot analysis and microscopy (for the examination of cell morphology). We found that the Par- phenotypes (formation of large unsegregated nucleoid in midcell) and chromosome segregation defects of a gyrB(Ts) mutant at the nonpermissive temperature were corrected by deleting topA only in the presence of topB. Moreover, overproducing topoisomerase III was shown to correct the Par- phenotype without correcting the growth defect, but overproducing topoisomerase IV, the major cellular decatenase, failed to correct the defects. Our results suggest that type IA topoisomerases play a role in chromosome segregation when gyrase is inefficient. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in genome maintenance, in the third part of the project, we employed genetic approaches combined with suppressor screens, spot assays and microscopy. We found that cells lacking topoisomerase I suffered from supercoiling-dependent growth defects and chromosome segregation defects that could be corrected by deleting recQ, recA or overproducing topoisomerase III and by an oriC15::aph suppressor mutation isolated in the first part of the project. Cells lacking both type 1A topoisomerases formed very long filaments packed with diffuse and unsegregated DNA. Such phenotypes could be partially corrected by overproducing RNase HI or deleting recA, or by suppressor mutations isolated in the first part of the project, that affected cSDR (dnaT18::aph and rne59::aph). Thus, in E. coli, type IA DNA topoisomerases play a role in genome maintenance by inhibiting inappropriate replication from oriC and R-loops and by preventing RecA-dependent chromosome segregation defect through their action with RecQ. The work reported here reveals that inappropriate and unregulated replication is a major source of genome instability. Preventing such replication will ensures proper chromosome segregation leading to a stable genome. RNase HI and type IA DNA topoisomerases play a leading role in preventing unregulated replication. RNase HI achieves this role by modulating ATP dependent gyrase activity and by preventing replication from R-loops (cSDR). Type IA DNA topoisomerases ensure the maintenance of a stable genome by preventing inappropriate replication from oriC and R-loops and by acting with RecQ to prevent RecA dependent-chromosome segregation defects.

Les topoisomérases I (topA) et III (topB) sont les deux topoisomérases (topos) de type IA d’Escherichia coli. La fonction principale de la topo I est la relaxation de l’excès de surenroulement négatif, tandis que peu d’information est disponible sur le rôle de la topo III. Les cellules pour lesquelles les deux topoisomérases de type IA sont manquantes souffrent d’une croissance difficile ainsi que de défauts de ségrégation sévères. Nous démontrons que ces problèmes sont majoritairement attribuables à des mutations dans la gyrase qui empêchent l’accumulation d’excès de surenroulement négatif chez les mutants sans topA. L’augmentation de l’activité de la gyrase réalisée par le remplacement de l’allèle gyrB(Ts) par le gène de type sauvage ou par l’exposition des souches gyrB(Ts) à une température permissive, permet la correction significative de la croissance et de la ségrégation des cellules topos de type IA. Nous démontrons également que les mutants topB sont hypersensibles à l’inhibition de la gyrase par la novobiocine. La réplication non-régulée en l’absence de topA et de rnhA (RNase HI) augmente la nécessité de l’activité de la topoisomérase III. De plus, en l’absence de topA et de rnhA, la surproduction de la topoisomérase III permet de réduire la dégradation importante d’ADN qui est observée en l’absence de recA (RecA). Nous proposons un rôle pour la topoisomérase III dans la ségrégation des chromosomes lorsque l’activité de la gyrase n’est pas optimale, par la réduction des collisions fourches de réplication s’observant particulièrement en l’absence de la topo I et de la RNase HI. / E. coli possesses two type IA topoisomerases (topos), namely topo I (topA) and topo III (topB). The major function of topo I is the relaxation of excess negative supercoiling. Much less is known about the function of topo III. Cells lacking both type IA topos suffer from severe chromosome segregation and growth defects. We show that these defects are mostly related to the presence of gyrase mutations that prevent excess negative supercoiling in topA null mutants. Indeed, increasing gyrase activity by spontaneous mutations, by substituting a gyrB(Ts) allele for a wild-type one or by exposing cells carrying the gyrB(Ts) allele to permissive temperatures, significantly corrected the growth and segregation defects of cells lacking type IA topo activity. We also found that topB mutants are hypersensitive to novobiocin due to gyrase inhibition. Our data also suggest that unregulated replication occurring in the absence of topA and rnhA (RNase HI) exacerbates the need for topo III activity. Moreover, when topA and rnhA were absent, we found that topo III overproduction reduced the extensive DNA degradation that took place in the absence of recA (RecA). All together, our results lead us to propose a role for topo III in chromosome segregation when gyrase activity is suboptimal, thus reducing replication forks collapse, especially when replication is unregulated due to the absence of topo I and RNase HI.

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes. / DNA supercoiling is important for all cellular processes that require strand separation and is regulated by the opposing enzymatic effects of DNA topoisomerases. Gyrase uses ATP to introduce negative supercoils while topoisomerase I (topA) and topoisomerase IV relax negative supercoils. Cells lacking topoisomerase I are only viable if they have compensatory mutations in gyrase genes that reduce the negative supercoiling level of the chromosome to allow bacterial growth. One such mutation leads to the production of a thermosensitive gyrase (gyrB(Ts)). Gyrase driven supercoiling during transcription in the absence of topoisomerase I causes the accumulation of hypernegatively supercoiled plasmid DNAs due to the formation of R-loops. Overproducing RNase HI (rnhA), an enzyme that degrades the RNA moiety of R-loops, prevents the accumulation of hypernegative supercoils. In the absence of RNase HI alone, R-loops are equally formed and can be used to prime DNA replication independently of oriC/DnaA, a phenomenon known as constitutive stable DNA replication (cSDR). To better understand the link between R-loop formation and hypernegative supercoiling, we constructed a conditional topA rnhA gyrB(Ts) mutant with RNase HI being conditionally expressed from a plasmid borne gene. We found that the DNA of topA rnhA gyrB(Ts) cells was extensively relaxed instead of being hypernegatively supercoiled following the depletion of RNase HI. Relaxation was found to be unrelated to the activity of topoisomerase IV. Cells of topA rnhA gyrB(Ts) formed long filaments full of DNA, consistent with segregation defect. Overproducing topoisomerase III (topB), an enzyme that can perform decatenation, corrected the segregation problems without restoring supercoiling. We found that extracts of topA rnhA gyrB(Ts) cells inhibited gyrase supercoiling activity of wild type cells extracts in vitro, suggesting that the depletion of RNase HI triggered a cell response that inhibited the supercoiling activity of gyrase. Gyrase supercoiling assays in vivo as well as in crude cell extracts revealed that the ATP dependent supercoiling reaction of gyrase was inhibited while the ATP independent relaxation reaction was unaffected. Genetic suppressors of a triple topA rnhA gyrB(Ts) strain that restored supercoiling and corrected the chromosome segregation defects mostly mapped to genes that affected DNA replication, R-loop metabolism and fimbriae formation. The second part of this project aimed at understanding the roles of type IA DNA topoisomerases (topoisomerase I and topoisomerase III) in chromosome segregation and genome maintenance in E. coli. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in chromosome segregation we employed genetic approaches combined with flow cytometry, Western blot analysis and microscopy (for the examination of cell morphology). We found that the Par- phenotypes (formation of large unsegregated nucleoid in midcell) and chromosome segregation defects of a gyrB(Ts) mutant at the nonpermissive temperature were corrected by deleting topA only in the presence of topB. Moreover, overproducing topoisomerase III was shown to correct the Par- phenotype without correcting the growth defect, but overproducing topoisomerase IV, the major cellular decatenase, failed to correct the defects. Our results suggest that type IA topoisomerases play a role in chromosome segregation when gyrase is inefficient. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in genome maintenance, in the third part of the project, we employed genetic approaches combined with suppressor screens, spot assays and microscopy. We found that cells lacking topoisomerase I suffered from supercoiling-dependent growth defects and chromosome segregation defects that could be corrected by deleting recQ, recA or overproducing topoisomerase III and by an oriC15::aph suppressor mutation isolated in the first part of the project. Cells lacking both type 1A topoisomerases formed very long filaments packed with diffuse and unsegregated DNA. Such phenotypes could be partially corrected by overproducing RNase HI or deleting recA, or by suppressor mutations isolated in the first part of the project, that affected cSDR (dnaT18::aph and rne59::aph). Thus, in E. coli, type IA DNA topoisomerases play a role in genome maintenance by inhibiting inappropriate replication from oriC and R-loops and by preventing RecA-dependent chromosome segregation defect through their action with RecQ. The work reported here reveals that inappropriate and unregulated replication is a major source of genome instability. Preventing such replication will ensures proper chromosome segregation leading to a stable genome. RNase HI and type IA DNA topoisomerases play a leading role in preventing unregulated replication. RNase HI achieves this role by modulating ATP dependent gyrase activity and by preventing replication from R-loops (cSDR). Type IA DNA topoisomerases ensure the maintenance of a stable genome by preventing inappropriate replication from oriC and R-loops and by acting with RecQ to prevent RecA dependent-chromosome segregation defects.