S. thermophilus est une bactérie lactique largement utilisé dans l'industrie laitière et, comme toute bactérie, doit s'adapter à des environnements variés tels que le lait, le yaourt et même le tractus digestif, après que le produit ait été ingéré. Les systèmes à deux composants (TCS) constituent un des mécanismes essentiels qu'utilisent les bactéries pour percevoir et s'adapter à des changements environnementaux. D'un point de vue structural, les TCS sont constitués de deux composants: un « senseur » ou protéine histidine kinase (HK) qui s'auto-phosphoryle en réponse à un stimulus puis transfère son groupement phosphate au « response regulator » (RR), le deuxième composant. Celui-ci se comporte alors le plus souvent comme un régulateur transcriptionnel permettant une réponse physiologique adaptée. Afin de mieux comprendre ces phénomènes de régulation impliqués dans la réponse aux changements environnementaux, nous avons étudié la contribution de chacun des 8 TCS de Streptococcus thermophilus LMD-9 à son adaptation dans le lait. Ainsi, des études transcriptionnelles effectuées sur des cultures en lait montrent que tous les RR sont exprimés, à des niveaux et profils d'expression différents. Nous avons noté en coculture avec Lactobacillus bulgaricus, le partenaire de Streptococcus thermophilus dans le yaourt, une induction de l'expression de 4 RR qui atteint, pour rr02 et rr09, un facteur 6. Nous avons construit par ailleurs des mutants négatifs pour 7 des 8 RR de S. thermophilus et montré l'essentialité de RR05, un orthologue de YycF chez B. subtilis ou de or de WalR chez S. aureus. Pour les 7 autres mutants RR, l'absence d'un seul gène rr n'impacte pas suffisamment la croissance du streptocoque en lait. Enfin, la détermination du régulon du TCS06 par des études post-génomiques a permis de montrer que ce système est impliqué dans la résistance à la bacitracine en modulant entre autres la voie de biosynthèse du polysaccharide à rhamnose (RGP). / The lactic acid bacterium Streptococcus thermophilus is widely used in the dairy industry and, as a food bacterium, has to cope with changing environments such as milk, yogurt as well as the digestive tract, after the product has been ingested. Two-component systems (TCS), typically composed of a sensor kinase (HK) that detects a stimulus and of a response regulator (RR) which acts as a transcriptional regulator, are among the most prevalent means for bacteria to adapt to changing environments via fine-tune gene expression. To get a more comprehensive view of the role of all two-component systems in S. thermophilus physiology, we have investigated the contribution of each S. thermophilus LMD-9 TCS to its fitness and adaptation to milk. Transcriptomic studies (RT-qPCR) and construction of negative mutants of the rr genes were performed for LMD-9 S. thermophilus strain. We have shown that all LMD-9 response regulators were expressed in milk, at different levels and with different profiles of expression during growth. In mixed culture with Lactobacillus bulgaricus, the S. thermophilus partner in yoghurt, the expression of four LMD-9 rr increased; for two of them, rr02 and rr09, the increase reached a factor 6. These results indicate that Lb. bulgaricus induces regulatory changes in S. thermophilus and that S. thermophilus is able to adapt to these changes by probable fine tuning regulations. We constructed negative mutants for 7 out of 8 LMD-9 RRs and we showed that RR05 -an ortholog of B. subtilis YycF or S. aureus WalR- was essential for the optimum growth of S. thermophilus. For the 7 other RR, the absence of a single rr gene was not sufficient to notably impact the growth of LMD-9 in milk. The determination of the TCS06 regulon by post-genomics shows that TCS06 is involved in bacitracin resistance through the modulation of the rhamnose polysaccharide pathway.

S. thermophilus est une bactérie lactique largement utilisé dans l'industrie laitière et, comme toute bactérie, doit s'adapter à des environnements variés tels que le lait, le yaourt et même le tractus digestif, après que le produit ait été ingéré. Les systèmes à deux composants (TCS) constituent un des mécanismes essentiels qu'utilisent les bactéries pour percevoir et s'adapter à des changements environnementaux. D'un point de vue structural, les TCS sont constitués de deux composants: un " senseur " ou protéine histidine kinase (HK) qui s'auto-phosphoryle en réponse à un stimulus puis transfère son groupement phosphate au " response regulator " (RR), le deuxième composant. Celui-ci se comporte alors le plus souvent comme un régulateur transcriptionnel permettant une réponse physiologique adaptée. Afin de mieux comprendre ces phénomènes de régulation impliqués dans la réponse aux changements environnementaux, nous avons étudié la contribution de chacun des 8 TCS de Streptococcus thermophilus LMD-9 à son adaptation dans le lait. Ainsi, des études transcriptionnelles effectuées sur des cultures en lait montrent que tous les RR sont exprimés, à des niveaux et profils d'expression différents. Nous avons noté en coculture avec Lactobacillus bulgaricus, le partenaire de Streptococcus thermophilus dans le yaourt, une induction de l'expression de 4 RR qui atteint, pour rr02 et rr09, un facteur 6. Nous avons construit par ailleurs des mutants négatifs pour 7 des 8 RR de S. thermophilus et montré l'essentialité de RR05, un orthologue de YycF chez B. subtilis ou de or de WalR chez S. aureus. Pour les 7 autres mutants RR, l'absence d'un seul gène rr n'impacte pas suffisamment la croissance du streptocoque en lait. Enfin, la détermination du régulon du TCS06 par des études post-génomiques a permis de montrer que ce système est impliqué dans la résistance à la bacitracine en modulant entre autres la voie de biosynthèse du polysaccharide à rhamnose (RGP).

Tous les organismes, les animaux, les plantes et les microbes, sont composés de cellules polarisées, en affichant un positionnement asymétrique des organites sub-cellulaires ou des structures. Le contrôle de polarité a été étudié chez les eucaryotes pendant une longue période, et a été montré pour être impliqués dans de nombreux processus physiologiques, tels que l'embryogenèse, le cancer métastatique et les maladies dégénératives des neurones. Chez les procaryotes, des études de polarité ne sont apparues récemment avec le développement de la microscopie à fluorescence sensibles. Ces études ont révélé que les cellules procaryotes sont en fait très organisé et une masse croissante de la littérature a montré que les cellules bactériennes également utiliser des radeaux lipidiques, courbure membranaire, la paroi cellulaire et un cytosquelette complexe pour diriger le positionnement spécifique de structures subcellulaires.Petites GTPases de la superfamille Ras sont des éléments réglementaires polarisation répandue chez les eucaryotes. Malgré l'existence depuis longtemps de ces petites GTPases dans les génomes procaryotes, leur fonction a jamais été étudiée. Pendant ce travail de thèse, nous avons trouvé, pour la première fois, qu'une petite GTPase, MglA et de sa protéine apparentée Activation GTPase (GAP) MglB, directe une dynamique axe antéro-postérieur à la motilité directe en forme de tige deltaproteobacterium Myxococcus xanthus. Dans ce processus, MglA s'accumule dans son état lié au GTP au niveau du pôle leader de cellules, en activant les machineries motilité. Ce schéma de localisation est maintenue par MglB, qui localise le pôle opposé, le blocage de l'accumulation MglA à ce pôle à travers son activité GAP. Remarquablement, les deux protéines passer leur localisation synchrone, ce qui correspond à un changement dramatique dans la direction du mouvement cellulaire (inversion). Ce commutateur est réglementé par un système chimiosensoriels-like, Frz. Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons identifié un régulateur de protéine de réponse, RomR qui est essentiel pour le regroupement polaire de MglA. Interdépendances complexes entre la localisation RomR, MglA et MglB indiquent que ces protéines pourraient constituer un complexe de polarité dynamique de trois protéines qui reçoit Frz de signalisation pour passer l'axe de polarité. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse suggère que M. xanthus intégré un module de polarité eucaryotes-like (MglAB) dans un procaryote spécifique (Frz) réseau de signalisation pour réguler sa motilité. Une telle réglementation est distincte sous forme de petites protéines G des règlements, qui sont généralement couplés à la protéine G récepteurs couplés (GPCR) chez les eucaryotes. Enfin, ce travail ouvre la voie pour comprendre comment la réglementation seule la motilité cellulaire sont intégrés pour générer des comportements commandés multicellulaires donnant naissance à des structures primitives de développement, par exemple, la morphogenèse du corps fructifères. D'autre part, ce travail fournit également un exemple d'analyser les étapes évolutives donnant lieu à des réseaux de signalisation. / All organisms, animals, plants and microbes, are composed of polarized cells, displaying asymmetric positioning of sub-cellular organelles or structures. Polarity control has been studied in eukaryotes for a long time, and has been shown to be involved in many physiological processes, such as embryogenesis, cancer metastasis and neuron degenerative diseases. In prokaryotes, polarity studies only emerged recently with the development of sensitive fluorescent microscopy. These studies revealed that prokaryotic cells are in fact highly organized and a growing body of literature has shown that bacterial cells also use lipid rafts, membrane curvature, the cell wall and a complex cytoskeleton to direct the specific positioning of subcellular structures.Small GTPases of the Ras superfamily are widespread polarization regulatory elements in eukaryotes. Despite the long known existence of such small GTPases in prokaryotic genomes, their function has never been studied. During this thesis work, we found, for the first time, that a small GTPase, MglA and its cognate GTPase Activating Protein (GAP) MglB, direct a dynamic anterior- posterior axis to direct motility of the rod-shaped deltaproteobacterium Myxococcus xanthus. In this process, MglA accumulates in its GTP-bound state at the leading cell pole, activating the motility machineries. This localization pattern is maintained by MglB, which localizes at the opposite pole, blocking MglA accumulation at this pole through its GAP activity. Remarkably, both proteins switch their localization synchronously, which correlates with a dramatic change in the direction of cell movement (reversal). This switch is regulated by a chemosensory-like system, Frz. In a second part of this work, we identified a response regulator protein, RomR which is essential for the polar clustering of MglA. Intricate localization interdependencies between Romr, MglA and MglB indicate that these proteins might constitute a dynamic three-protein polarity complex that receives Frz-signaling to switch the polarity axis. In conclusion, the results from this thesis work suggest that M. xanthus integrated a eukaryotic-like polarity module (MglAB) into a prokaryotic- specific (Frz) signaling network to regulate its motility. Such regulation is distinct form small G- protein regulations, which are generally coupled to G-protein coupled receptors (GPCRs) in eukaryotes. Finally, this work paves the way to understand how single cell motility regulations are integrated to generate ordered multicellular behaviors giving rise to primitive developmental structures, for example fruiting body morphogenesis. On the other hand, this work also provides an example to analyze the evolutionary steps giving rise to signaling networks.

Le bacille de la peste, Yersinia pestis, a une vie parasitaire au cours de laquelle il oscille le plus souvent d’un hôte mammifère à l’autre par l’intermédiaire des puces, et plus rarement par voie aéroportée. Comme tel, Yersinia pestis doit rapidement ressentir et répondre aux variations brutales de son environnement afin se maintenir dans la nature. C’est pourquoi, nous avons étudié le rôle des systèmes de régulation à deux composants dans la peste compte tenu que ces systèmes sont connus pour avoir un rôle clef dans l’adaptation des bactéries aux changements environnementaux. En plus du système PhoP-PhoQ dont l’importance chez le mammifère et la puce a été précédemment révélée, nous avons découvert que quatre systèmes sont requis pour le cycle de la peste. Plus particulièrement, l'un d'entre eux permet une colonisation optimale du tube digestif de la puce alors que les 3 autres systèmes sont impliqués dans la production de biofilm, un processus indispensable à une transmission optimale du bacille par les puces. Nous avons aussi découvert que le système OmpR-EnvZ est l’unique système, en plus du système PhoP-PhoQ, requis pour la production de la peste bubonique, septicémique et pulmonaire. Nos travaux, menés in vitro, ex-vivo et in vivo suggèrent que le rôle du système OmpR-EnvZ serait de protéger la bactérie contre les effecteurs toxiques sécrétés par les polynucléaires neutrophiles dans les tissus et, ceci tout au long du processus infectieux. / Plague bacillus, Yersinia pestis has a parasitic lifestyle in which it is mainly transmitted between mammilian hosts through the bite of infected fleas, and in rare cases through infected droplets. Thus, Yersinia pestis must rapidly sense and respond to wide and brutal changes of its environment in order to survive. We aimed at decipher the role of two component regulatory systems in plague, as they are known to be key players in bacterial adaptation to the environment. In addition to the already described PhoP-PhoQ system, we found out that four systems are required for plague cycle. We showed that one of these systems is important for an optimal colonization of the flea's digestive tract, while the three others are required for biofilm production, an essential step in the bacillus transmission by the fleas. We also found out that OmpR-EnvZ, in addition to PhoP-PhoQ, is the only one to be important to produce bubonic, septicemic and pulmonary plague. Our in vitro, ex-vivo and in vivo works suggest that the OmpR-EnvZ system would be to protect bacterial against toxic effectors that are produced by polymorphonuclear leukocytes all along the infectious process.

La résistance aux polymyxines chez P. aeruginosa résulte en partie de la modification du lipide A par addition de 4-amino-aL-arabinose (L-Ara4N), due à l'expression de l'opéron arnBCADTEF-ugD (arn), activée par au moins 6 systèmes de régulation à deux composants (S2C). Nous avons mis en évidence que P. aeruginosa était capable de s'adapter de manière transitoire à la présence de fortes concentrations de polymyxines (8 x CMI) aussi bien in vitro que in vivo dans un modèle murin d'infection pulmonaire aiguë. La délétion de l'opéron arn chez la souche sauvage n'a pas modifié la capacité d'adaptation de P. aeruginosa. Afin d'identifier les gènes impliqués dans le processus adaptatif, le transcriptome global du mutant PAOl/z«;-Aar«-ATCS délété des principaux S2C (parRS, pmrAB, cprRS eiphoPQ) et de l'opéron arn a été réalisé en présence de différentes concentrations de colistine par RNA-Seq. Deux nouveaux mécanismes ont ainsi été identifiés. L'un repose sur l'expression de l'opéron mmsAB codant des enzymes du catabolisme des acides gras et l'autre fait intervenir le facteur sigma alternatif AlgU. Seule la délétion conjointe du gène algW participant à l'activation de AlgU et des opérons arn, mmsAB, pmrAB, parRS, phoPQ et cprRS a permis d'abolir complètement la résistance adaptative à la colistine. Par ailleurs, nous avons mis en évidence le rôle des vésicules de membrane externe (OMVs) dans la séquestration de l'antibiotique, dont la production semble régulée au moins par AlgU et le PQS. Ces travaux offrent des perspectives intéressantes pour l'identification de nouvelles cibles antibactériennes et pour l'amélioration de l'effet bactéricide des polymyxines. / Resistance to polymyxins in Pseudomonas aeruginosa involves the addition of 4-amino-L-arabinose (Ara4N) to LPS phosphates, thanks to an enzymatic modification due to the operon named arnBCADTEF-ugD (arn) whose expression is activated by at least 6 two component regulatory Systems (TCS). We demonstrated that P. aeruginosa was able to resist in a transient way to high concentrations of polymyxins (8x MIC) in vitro and in vivo in a mice lung infection model. Arn operon deletion in the wild type strain did not modify the ability to adapt to polymyxins. In order to identify gènes involved in adaptive resistance, we performed RNA-seq transcriptomes of quintuple mutant PAO\lux-Aaw-ATCS exposed to different concentrations of colistin or non exposed. Two new mechanisms were identified. The first one is based upon mmsAB operon encoding fatty acid catabolism enzymes and the second one is due to the sigma factor AlgU. Only the deletions of algW%enz involved in AlgU activation and arn, mmsAB, pmrAB, parRS, phoPQ and cprRS operons completely abolished the adaptive process. We also demonstrated the role of outer membrane vesicles in the sequestration of colistin whose production is regulated by AlgU and PQS. This study provides knoweldge essential for the design of novel strategies aimed at tackling the adaptive resistance to polymyxins.

La bactérie Myxococcus xanthus forme des structures multicellulaires appelées corps fructifères pour résister à des conditions de carence nutritive. La formation de ces structures implique un système chimiotactique particulier, le système Frz, qui régule le changement de direction des cellules, provoqué par la relocalisation simultanée des deux appareils de motilité (A) et (S) d’un pôle à l’autre de la cellule. Au cours de ma thèse, j’ai travaillé sur la connexion entre le système chimiotactique Frz et ses protéines cibles MglAB dans le contrôle de l’inversion de la polarité. L’axe de polarité des cellules est établi par MglA, une petite protéine G de la famille Ras, qui constitue un embranchement vers la régulation des deux appareils de motilité au pôle avant, et son inhibiteur MglB localisé au pôle arrière. Nous avons montré qu’en interagissant directement et spécifiquement avec le cytosquelette, MglA contrôle l’assemblage et le désassemblage de la machinerie de motilité A. Par une approche évolutive, nous avons élucidé l’architecture modulaire du système Frz et l’implication de quatre domaines régulateurs pour connecter le système Frz aux protéines MglAB, filtrer et amplifier le signal. Nous proposons un mécanisme d’inversion de la polarité dans lequel l’action indépendante de deux RRs à chaque pôle de la cellule perturbe les interactions entre une petite protéine G et son inhibiteur apparenté pour convertir un axe de polarité stable en un oscillateur biochimique. La régulation de la direction de mouvement chez M. xanthus pourrait donc constituer un cas émergent de couplage entre des régulateurs de type procaryotes et eucaryotes. / The bacterium Myxococcus xanthus forms multicellular structures called fruiting bodies to resist to starvation conditions. Fruiting body formation implies a chemosensory-like system, the Frz system which regulates directional changes through the simultaneous pole-to-pole relocalization of two motility systems, (A) and (S). During my PhD, I have worked on the connection between the Frz chemosensory-like system and the downstream regulators MglA and MglB in the control of polarity inversion. The cell polarity axis is established by (i) a Ras-like small G protein, MglA, which constitutes a branch node in the regulation of A and S motility systems at the leading cell pole, and (ii) its cognate inhibitor MglB that localizes at the lagging cell pole. We showed that MglA interacts directly and specifically with the cytoskeleton to promote assembly and disassembly of the A-motility machinery. Using an evolutionary approach, we elucidated the modular architecture of the Frz system and the implication of four regulatory domains to (i) connect the Frz system to the MglAB proteins, (ii) filter and (iii) amplify the signal. We now propose a mechanism for polarity inversion in which the independent action of two response regulators at each cell pole perturbs the interactions between a small-G-protein and its cognate inhibitor to trigger the conversion of a stable polarity axis into a biochemical oscillator. The regulation of directional movement in M. xanthus is an interesting emergent coupling between prokaryotes and eukaryotes regulators.

La transformation génétique naturelle contribue au maintien et à l'évolution des génomes bactériens, elle constitue pour les bactéries un mécanisme clé pour s'adapter à l'environnement. Elle permet l'intégration d'ADN exogène au sein du chromosome bactérien par recombinaison homologue lors d'un état physiologique particulier de la bactérie appelé compétence. Mon travail de thèse a porté sur la régulation de la compétence chez S. pneumoniae (ComD, ComE) et sur les interactions entre les protéines impliquées dans la prise en charge, le traitement et la recombinaison de l'ADN transformant (DprA, RecA). Chez cette bactérie, l'entrée en compétence est sous le contrôle du système à deux composantes ComD-ComE qui induit la transcription des gènes cibles. DprA est l'une des protéines surexprimée lors de la compétence, elle est très conservée dans le monde bactérien, et participe à la fermeture de la compétence via une interaction directe avec ComE. DprA est également une protéine centrale de la transformation impliquée dans la protection de l'ADN entrant contre les nucléases, et dans le recrutement de la recombinase RecA. L'analyse par SAXS du complexe ComD-ComE, la résolution de la structure cristallographique des domaines REC de ComE, et l'étude des interaction entre ComE et ses régions promotrices ont permis de mieux comprendre la chorégraphie de l'entrée en compétence de S. pneumoniae. En parallèle, nous avons étudié les interactions de SpDprA avec l'ADN et avec RecA. Ces données nous ont permis de proposer un modèle d'interaction entre DprA et RecA chez S. pneumoniae et de proposer un mécanisme de chargement de RecA sur l'ADNsb par DprA. Je me suis également intéressée à DprA de H. pylori en participant à la résolution de la structure 3D de son domaine C-terminal par RMN et en étudiant son interaction avec l'ADNdb. / The natural genetic transformation contributes to the maintenance and the evolution of the genomes in bacteria; it is a key mechanism to adapt to their environment. It allows the integration of exogenous DNA into the bacterial chromosome by homologous recombination during a particular state called competence.My thesis focused on the regulation of the competence state in S. pneumoniae (ComD, ComE), and on the interactions between the proteins involved in the uptake, the processing and recombination of exogenous DNA (DprA, RecA). In this bacterium, the opening of the competence is under the control of the two-component system ComD-ComE, who induces the transcription of target genes. DprA is one of the protein induced during the competence state, it is very conserved into the bacterial kingdom, and is involved in the closure of competence via direct interaction with ComE. DprA is also a key transformation protein involved in processing the incoming DNA, protection against nucleases, and recruitment of the RecA recombinase. SAXS analysis of the ComD-ComE, resolution of the crystallographic structure of ComE REC domain study of the interactions between ComE and its promoter regions allowed us to understand the choreography of competence opening in S. pneumoniae. Meanwhile, we studied spDprA interactions with DNA and with RecA. These data allowed us to propose an interaction model between DprA and RecA in S. pneumoniae and to propose a mechanism for RecA's loading on the ssDNA by DprA. I focused too on H. pylori DprA participating on the resolution of the 3D structure of the C-terminal domain by NMR and studying its interaction with the dsDNA.