La plupart des bactéries ont un unique chromosome circulaire. Lors de la réplication de l’ADN, la circularité lie topologiquement les deux chromatides sœurs résultant de la réplication (caténanes et dimères). Ces liens topologiques doivent être résolus afin de permettre une bonne ségrégation de l’information génétique entre les deux cellules filles au cours de la division cellulaire. Les bactéries possèdent une machinerie très conservée: les recombinases à tyrosines XerC et XerD, capables de résoudre les dimères et une partie des caténanes, en catalysant un crossover au site spécifique dif situé dans la région Ter du chromosome. Lors de ce processus elles réalisent successivement deux échanges de brins. La réaction Xer est spatio-temporellement contrôlée par une protéine du divisome: FtsK. FtsK est une translocase qui pompe l’ADN à travers le septum de division. Lorsqu’elle rencontre une synapse constituée de deux sites dif chargés de XerC et XerD, elle active la catalyse de XerD pour initier le premier échange de brins. Dans un second temps XerC catalyse un second échange de brins indépendamment de FtsK. A ce jour le mécanisme d’activation de XerD n’est pas bien compris. Certains éléments mobiles résolvent leur états multimériques (tels que les plasmides) ou intègrent leur génome dans celui de leur hôte en détournant les recombinases XerCD. On parle d’IMEXs (integrative Mobile Element using Xer). Les éléments mobiles étudiés avant ma thèse utilisaient tous des voies de recombinaison initiées par la catalyse de XerC et ne nécessitant pas l’activation de XerD. Au cours de ma thèse j’ai étudié dans un premier temps le mécanisme d’intégration / excision d’une nouvelle classe d’IMEXs en utilisant comme modèle le phage TLCphi de Vibrio cholerae, la bactérie responsable du choléra. Par des approches de génétique j’ai démontré que TLCphi utilise une voie de recombinaison initiée par la catalyse de XerD et indépendante de FtsK. Mes travaux ont également montré que l’excision du phage participe à l’évolution des souches pandémiques de V.cholerae. Dans une seconde partie, j’ai identifié un facteur phagique qui permet à TLCphi de contourner le contrôle de FtsK sur l’activation de XerD. Ce facteur était une protéine de fonction inconnue présentant un domaine HTH et un domaine DUF3653. Ce dernier est retrouvé dans de nombreux IMEXs. Par des approches de biologie moléculaire j’ai étudié le mécanisme d’action de cette protéine. J’ai reproduit la réaction de recombinaison in vitro et démontré qu’elle active XerD en interagissant directement avec elle. Enfin dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés aux disparités observées entre la recombinaison Xer chez E.coli et V.cholerae. En particulier, la recombinaison Xer semble agir seulement sur les dimères chez E.coli alors qu’elle est active également sur les monomères chez V.cholerae. Nous avons démontré que ces divergences de comportement ne viennent pas des Xer elles-mêmes, ni de leurs propriétés d'activations par FtsK. Elles résultent des différentes chorégraphies de ségrégation des chromosomes entre ces deux bactéries et dépendent également des vitesses de croissance. / Most of bacteria have a single circular chromosome. During replication of DNA, this circularity can lead to two sister chromatids topologically linked (catenanes and dimers). These topological links have to be solved in order to allow good segregation of genetic information between the two daughter cells during cell division. Bacteria possess a highly conserved machinery: the tyrosine recombinases XerC XerD that are capable to resolve dimers and some catenanes, by catalyzing a crossover at the specific site dif located in the Ter region of the chromosome. During this process they realize two sequentialstrand exchanges.The Xer reaction is spatiotemporally controlled by a protein of the divisome: FtsK. FtsK is a pump that translocates DNA through the septum of division. When FtsK meets a synapse that consists of two dif loaded by XerC and XerD, it activates XerD catalysis that initiates first strand exchange. Secondly XerC catalyzes a second strand exchange independently of FtsK. To date the activation mechanism of XerD is not well understood. Some mobile elements solve their multimeric states (like plasmids) or integrate their genome into the chromosome of their host by using XerCD recombinases. Such integrative elements are named IMEXs (Integrative Mobile Element using Xer). The mobile elements studied before my thesis all used recombination pathways initiated by catalysis of XerC and not requiring activation of XerD .During my PhD I studied at first the integration mechanism / excision of a new class IMEXs using as a model the TLC phage Vibrio cholerae, the bacterium responsible for cholera. By genetic approaches I demonstrated that TLCphi uses a recombination pathway initiated by XerD catalysis and independently of FtsK. My work has also shown that the phage excision participates in the evolution of pandemic strains of V. cholerae. In the second part, I identified a phage factor that allows TLC to bypass the activation of XerD by FtsK. This factor was a protein of unknown function with a HTH domain and a DUF3653 domain. DUF3653 are found in many IMEXs. Using molecular biology approaches, I studied the mechanism of action of this protein. I reproduced the recombination reaction in vitro and demonstrated that this factor activates XerD by directly interacting with it. Finally, we were interested to study disparities between Xer recombination in E.coli and V.cholerae. In particular, the Xer recombination seems to act only on dimers in E.coli while it is also active on monomers in V.cholerae. We have demonstrated that these differences in behaviors do not come from Xer themselves or their activation by FtsK. They result from different choreographies of chromosome segregation between these two bacteria and are also dependent on growth rates.

Les génomes bactériens sont le siège de deux phénomènes de transferts de l'information génétique: les transferts verticaux et horizontaux. Leur coéxistence ce qui implique une délicate balance entre maintenance et instabilité des génomes. L'information génétique des bactéries est généralement portée par des réplicons circulaires : chromosomes et plasmides. Un des sérieux désavantages des réplicons circulaires est leur grande sensibilité aux réarrangements causés par recombinaison homologue. Un nombre impair de crossing-over pendant ou après la réplication de ces réplicons entraine la formation de molécules dimériques. Ces dimères correspondent à une fusion covalente des deux copies du réplicon, non-résolus les dimères ne ségrégeront pas correctement au moment de la division cellulaire. La résolution des formes multimériques des plasmides et chromosomes circulaires est médiée par un mécanisme de recombinaison spécifique de site efficace et extrêmement contrôlé : le système Xer. Les mécanismes de résolution des dimères de chromosome et de plasmide sont différents. De plus, bien que le système de résolution de dimères de chromosome soit contrôlé dans le temps et dans l'espace, chez de nombreuses bactéries il est détourné de son rôle principal par des éléments génétiques mobiles appelés IMEXs (Integrative Mobile Elements exploiting Xer). Le système Xer est alors impliqué dans les transferts verticaux et horizontaux de gènes, illustrant comment une même machine moléculaire peut intervenir dans plusieurs processus biologiques. Pour cela, des acteurs externes différents vont jouer un rôle clé dans le contrôle d'une machine Xer centrale et ainsi apporter une diversité de mécanismes, chacun dédié à une processus biologique propre. Afin de mieux comprendre les contrôles différentiels du système Xer, je me suis intéressé aux éléments génétiques mobiles. Via l'étude de la stabilité intra-chromosomique des IMEXs et de la résolution des dimères de certains grands plasmides, j'ai pu montrer que FtsK, la protéine activatrice de la résolution des dimères de chromosome, est impliquée dans la stabilisation des éléments acquis par transferts horizontaux de gènes. / The genetic information of bacteria is generally carried by circular replicons: chromosomes and plasmids. One of the serious disadvantages of circular replicons is their high sensitivity to rearrangements caused by homologous recombination. An odd number of crossing-over, during or after the replication of these replicons, results in the formation of dimeric molecules. These dimers correspond to a covalent fusion between the two copies of the replicon. If they are not resolved, the dimers will not segregate properly at the time of cell division. The resolution of multimeric forms of circular plasmids and chromosomes is mediated by an efficient and highly controlled site-specific recombination mechanism: the Xer system. The mechanisms of resolution of the chromosome and plasmid dimers are different. In addition, even if the chromosome dimer resolution system is controlled in time and space, in many bacteria it is hijacked by mobile genetic elements called IMEXs (Integrative Mobile Elements Exploiting Xer). The Xer system is then involved in the vertical and horizontal transfer of genes, illustrating how the same molecular machine can intervene in several biological processes. For this, different external actors will play a key role in controlling a central Xer machine and thus bring a variety of mechanisms, each dedicated to a specific biological process. In order to better understand the differential controls of the Xer system, I focused on mobile genetic elements. By studying the intra-chromosomal stability of IMEXs and the resolution of large plasmids dimers, I was able to show that FtsK is involved in the stabilization of the acquired mobile genetic elements.

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

La plupart des espèces bactériennes possèdent un chromosome circulaire qui est répliqué de façon bidirectionnelle au cours du cycle cellulaire. Bien que la réplication et la ségrégation du chromosome bactérien se développent simultanément, la ségrégation du chromosome s’accomplit après la fin de la réplication et avant la fermeture du septum. La circularité du chromosome bactérien et le grand nombre d’événements de recombinaison homologue donnent lieu à la création des dimères de chromosome dans une fraction de la population cellulaire. Chez Escherichia coli et Bacillus subtilis, la dimérisation des chromosomes se produit respectivement dans 15% et 25% des cas. Un chromosome dimérique doit être résolu avant la fermeture du septum. Chez les espèces bactériennes les plus étudiées, les chromosomes dimériques sont résolus par un système de recombinaison site spécifique hautement réservé incluant deux recombinases à tyrosine, XerC et XerD, et un site génomique dans la région terminus du génome bactérien, appelé le site dif (deletion induced filamentation). L’organisation spatio-temporelle du système de recombinaison site spécifique Xer/dif et l’activation de ce dernier sont réglementées par la protéine transmembranaire impliquée dans la division cellulaire, FtsK. D’autre part, des études récentes ont mis en évidence l’existence de plusieurs éléments mobiles appelés IMEXs (Integrative Mobile Elements Exploiting Xer), capables d’exploiter le système Xer/dif pour leur intégration dans le génome bactérien. Chez E. coli, des déficiences dans la résolution des dimères de chromosome se terminent par le guillotinage du chromosome dimérique au cours de la division cellulaire, ce qui entraîne l’induction de la réponse SOS chez les cellules filles et la mort de ces dernières. Dans cette thèse, le site dif a été identifié et caractérisé chez Caulobacter par une combinaison d’approches in vivo et in vitro. Fait intéressant, il a été démontré que chez Caulobacter, contrairement à E. coli, la perturbation du système Xer/dif ne mène pas au guillotinage du chromosome, et les cellules portant un système Xer/dif défectueux contourne cette déficience en adoptant un nouveau mode de cycle cellulaire. De plus, notre analyse comparative entre les terminus des souches sauvages de C. crescentus a également permis de révéler la présence d’un IMEX putatif de 71 kb dans le terminus de C. crescentus NA1000. / Most bacteria possess a single circular chromosome which is replicated bidirectionally during the cell cycle. Although replication and segregation of the chromosome in bacteria develops simultaneously, the segregation of the chromosome occurs after the completion of replication and before the closure of the septum. The circularity of the bacterial chromosome and the high number of homologous recombination events that occur during replication result in the creation of chromosome dimers in a fraction of the cell population. In Escherichia coli and Bacillus subtilis, chromosome dimer formation occurs, respectively, in 15% and 25% of the cell population during replication, which needs to be resolved before the closure of division septum. In most of the well-studied bacterial species, chromosome dimers are resolved by a highly conserved site-specific recombination system which employs two tyrosine recombinases, XerC and XerD, and a recombination genomic site located in the terminus region of the bacterial chromosome called dif (deletion induced filamentation). The temporo-spatial organization of the Xer/dif site-specific recombination system, along with its activation, is regulated by a cell division transmembrane protein, FtsK. In E. coli, deficiencies in the resolution of chromosome dimers result in the guillotining of the dimeric chromosome during the cell division leading to the continuous induction of SOS response in the daughter cells and the death of the latter ones. In my thesis, the dif site in Caulobacter is identified and characterized by a combination of in vitro and in vivo approaches. Interestingly, it was observed that, unlike E. coli, in Caulobacter perturbations in the chromosome dimer resolution system do not result in the guillotining of the chromosome dimers. Instead, Caulobacter cells bearing deficiencies in the resolution of dimeric chromosomes adopt a new mode of cell cycle to bypass this deficiency.