L’implantation d'Escherichia coli dans l’intestin résulte de stratégies adaptatives globales permettant à la bactérie de survivre face aux changements de conditions environnementales. Sur le plan métabolique, la colonisation de l’intestin par E. coli parait associée à la disponibilité de sources de carbone préférentielles glycolytiques, alors que la maintenance et la persistance reposent sur sa capacité à utiliser différents substrats alternatifs (principalement gluconéogéniques) lorsque les substrats préférentiels deviennent limitant. Cette activation des processus gluconéogéniques, qui implique une réorganisation fonctionnelle complète du métabolisme, est associée in situ à de profonds remaniements physiologiques (perte de motilité, formation de biofilms, etc) nécessaires à la persistance d'E. coli dans l’intestin. Ces différents processus sont coordonnés par des réseaux de régulation particulièrement complexes, dont le système Csr (Carbon storage regulator), un des principaux régulateur post-transcriptionnel d'E. coli. Lors de ces travaux, nous avons analysé le rôle du système Csr dans la nutrition carbonée et le contrôle du métabolisme central d'E. coli sur des sources de carbone supportant sa croissance dans l'intestin et représentatives des principales voies de son métabolisme central (glycolyse, voie des pentoses phosphate, voie d'Entner-Doudoroff cycle de Krebs). Cette étude a été réalisée chez deux souches d'E. coli présentant des capacités d'implantation distinctes : la souche de laboratoire K12 MG1655, et la souche Nissle 1917, un excellent colonisateur appartenant au groupe phylogénétique B2. Une analyse détaillée du fonctionnement métabolique par des approches systémiques quantitatives haut-débit (métabolomique et analyse des flux métaboliques par marquage isotopique) a été mise en place. Elle a été exploitée pour caractériser finement le comportement métabolique de souches sauvages et de mutants du système Csr d'E. coli sur différentes sources de carbone, identifier des caractères métaboliques propres à chaque souche, et étendre le rôle du système Csr dans la nutrition carbonée et dans le contrôle du métabolisme central d'E. coli. Nos résultats démontrent que i) Csr favorise l'utilisation d'un large spectre de sources de carbone aussi bien glycolytiques que gluconéogéniques, ii) Csr contrôle un nombre de voies métaboliques plus important que ce que l'on pourrait attendre à partir de ses cibles identifiées, et iii) que le contrôle global exercé par le système Csr sur le fonctionnement du métabolisme central dépend de la source de carbone. Un rôle du système Csr dans le contrôle du métabolisme redox (production de NADH et de NADPH) et énergétique (production d'ATP), non reporté à ce jour, est également démontré. Enfin, nos résultats suggèrent un rôle de Csr dans le contrôle de la balance anabolisme-catabolisme d'E. coli. Ces travaux renforcent le rôle potentiel du système Csr dans l'adaptation d'E. coli face aux changements de conditions environnementales. / The implantation of Escherichia coli in the gut results from global adaptive strategies that allow the bacteria to survive in the changing environment of the intestine. At the metabolic level, recent findings indicate that colonisation is mainly related to the utilization of sugars and sugar derivatives through glycolytic pathways. In contrast, persistence of E. coli in the gut is supported by less favorable substrates, including small organic acids. The use of the latter compounds requires activation of gluconeogenic pathways, and efficient switching between glycolytic and gluconeogenic carbon sources is likely to be a major feature of successful adaptation to life in the intestine. These adaptive processes are controlled by highly sophisticated regulatory networks, such as the Csr (carbon storage regulator) system which is the main post-transcriptional regulator in E. coli. Csr was found to control a broad range of phenotypes allowing E. coli to successfully implant and persist in the gut, such as biofilm formation, motility as well as many functions involved in carbon nutrition, including glycolysis, gluconeogenesis, acetate and glycogen metabolism. Although Csr is likely to play an important role in the adaptation of bacteria to the nutritional context of the host, it is poorly understood sofar. In this work, we investigate the role of the Csr system in the control of E. coli metabolism on physiologically-relevant carbon sources representative of the main glycolytic (Entner-Doudoroff pathway, pentose phosphate pathway, glycolysis) and gluconeogenic pathways of E. coli. This work was carried out on two E. coli strains with distinct implantation capabilities : the K12 MG1655 laboratory strain and the Nissle 1917strain, an efficient colonizer of the gut belonging to the highly competitive B2phylogenetic group. First, we designed a complete methodology (metabolomics and 13C-metabolic flux analysis) for quantitative, system-level investigations of the actual operation of E. coli metabolism. Then, we performed detailed, system-level investigations of wild-type strains and Csr mutants. This work provides valuable information regarding systemic properties of E. coli metabolism, and identifies metabolic specificities of the Nissle 1917strain likely involved in its competitiveness in the gut. The role of Csr appears to be qualitatively and quantitatively the same in both K12 MG1655 and Nissle 1917 strains. We show that i) Csr enhances the utilisation of a broad spectrum of glycolytic and gluconeogenic carbon sources, ii) Csr controls a range of metabolic pathways wider than expected from its known target enzymes, and iii) the actual impact of the Csr system on the central metabolism of E. coli depends on the carbon source. We also demonstrate that Csr controls energy and redox metabolism in E. coli. Csr enhances the production of ATP and of reduced cofactors (NADH and NADPH), and we suggest that it also may control the catabolism-anabolism balance in E. coli. Finally, our results reinforce the potential role of the Csr system in the global adaptation of the bacterium to the gut environment.

L‘adaptation des bactéries à leur environnement résulte de régulations de l’expression génique pour optimiser leur physiologie aux conditions de culture. Le contrôle de la concentration des ARNm constitue l’une de ces régulations. Il dépend à la fois des variations de transcription et de dégradation des messagers. Si ces deux mécanismes sont bien étudiés à l’échelle moléculaire chez E. coli, leurs poids respectifs sur la régulation du niveau des transcrits à l’échelle du génome restent inconnus en raison de l’absence de données omiques relatives à la dégradation des ARNm lors de changements environnementaux. D’autre part, les paramètres déterminant la stabilité des messagers sont mal identifiés et n’ont jamais été hiérarchisés.Au cours de cette thèse, la stabilité de chacun des ARNm d’E. coli a été mesurée par la détermination du stabilome. Plus précisément, le temps de demi-vie de près de 70 % de tous les messagers a pu être déterminé de façon fiable pour quatre taux de croissance différents obtenus dans les mêmes conditions de culture à l’aide de chémostats. Pour la première fois, cette étude démontre qu’une croissance bactérienne plus rapide entraîne une augmentation globale de la dégradation des transcrits. L’intégration de ces données avec les données transcriptomiques montre que même si la transcription est le mécanisme principal de régulation du niveau des messagers, la dégradation exerce un effet inverse dans la plupart des cas. De plus, le rôle de la dégradation dans le contrôle de la concentration des ARNm s’accentue de façon significative avec l’augmentation du taux de croissance et affecte particulièrement les gènes impliqués dans le métabolisme carboné central. À partir des données de stabilité générées à différents taux de croissance, des approches de biologie intégrative ont permis d’identifier et de hiérarchiser les déterminants de la dégradation des ARNm. Ainsi, la concentration des messagers qui est le principal paramètre, mais aussi le biais de codon, la longueur de la séquence codante et la présence de certains motifs de séquence déterminent la stabilité d’un ARNm. Toutefois, si la hiérarchie des déterminants identifiés reste identique avec la variation du taux de croissance, la stabilité des ARNm de certaines catégories fonctionnelles en est dépendante. Cependant, d’autres déterminants du temps de demi-vie des messagers, en particulier à fort taux de croissance, restent encore à être identifiés. La protéine CsrA, appartenant au système Csr, est un exemple de régulateur post-transcriptionnel qui contrôle positivement ou négativement l’expression d’ARNm par divers mécanismes qui peuvent modifier leur stabilité. Toutefois, l’étendue de l’action de CsrA sur la stabilité des ARNm à l’échelle omique n’a jamais été étudiée. En comparant les stabilomes et transcriptomes d’une souche sauvage et d’une souche où l’activité de CsrA est diminuée, les effets indirects transcriptionnels de CsrA ont été mesurés et de nouveaux ARNm cibles de CsrA dont la stabilité est régulée par la protéine (en majorité stabilisés) ont été identifiés. De plus, la protéine CsrD, régulateur de la stabilité des ARN non codants CsrB/C, n’est pas impliquée dans la régulation de la stabilité des ARNm, mais agit sur la transcription de nombreux gènes indépendamment de son rôle au sein du système Csr. En conclusion, ces travaux ont permis de mieux appréhender les régulations de la stabilité des ARNm, en identifiant leurs déterminants et en caractérisant leur rôle et portée dans le contrôle de la concentration des messagers. Ils soulignent en particulier l’importance de ces régulations dans le processus d’adaptation bactérien / Bacterial adaptation to environment results from regulations of gene expression to optimize cell physiology to growth conditions. Control of mRNA concentration is one of those regulations. It depends on both variations of transcription and transcript degradation. Although these two mechanisms are well defined at the molecular level in E. coli, their respective impact on mRNA level regulation is still unknown at the genome scale because of a lack of omic data on mRNA stability during changing environment. Moreover, parameters determining messenger stability are not yet clearly identified and have never been ranked.During this PhD, the stability of each of the E. coli mRNAs was measured through stabilome determination. More precisely, the half-life of around 70 % of all messengers was reliably determined at four different growth rates obtained in the same growth conditions in chemostats. For the first time, this study demonstrated that increase of growth rate led to global increase of transcript degradation. Integration of these data with transcriptomic data showed that although transcription was the main mechanism which regulated mRNA level, messenger degradation exerted an opposite effect in most of the cases. The role of messenger degradation in the control of mRNA concentration was significantly accentuated with increasing growth rate and affected particularly genes involved in central carbon metabolism. Using mRNA stability data produced at different growth rates, integrative biology approaches allowed identification and ranking of the determinants of messenger stability. mRNA concentration which was the main parameter, but also codon bias, length of the coding sequence, sequence motifs contributed to transcript stability. However, although the hierarchy of determinants remained identical with variations of growth rate, the stability of mRNAs belonging to specific functional categories differed with the growth rate. Nevertheless, other determinants of messenger half-life, in particular at high growth rates still remain to be discovered. The CsrA protein, which belongs to the Csr system, is one example of a post-transcriptional regulator. CsrA positively or negatively controls expression of several mRNAs by mechanisms able to modify transcript stability. Nevertheless, the extent of CsrA effect on mRNA stability at the omic level has never been studied. By comparing stabilomes and transcriptomes of the wild type strain with a strain with reduced CsrA activity, the indirect transcriptional effects of CsrA were measured and new mRNAs whose stability was targeted by CsrA (mostly stabilized), were identified. Moreover, the CsrD protein, a regulator of CsrB/C small RNA stability, was not involved in mRNA stability regulation, but played a role in transcriptional regulation of many genes independently of its role in the Csr system. To conclude, this work provides a better understanding of the regulation of the mRNA stability. It identifies mRNA stability determinants and characterizes the role and extent of mRNA stability regulation in the control of messenger concentration. The study underlines the importance of this regulation in the process of bacterial adaptation