The work in this thesis is concerned with the study of bacterial adaptation on short and long timescales. In the first section, consisting of three chapters, I describe a recently developed high-throughput technology for probing gene function, transposon-insertion sequencing, and its application to the study of functional differences between two important human pathogens, Salmonella enterica subspecies enterica serovars Typhi and Typhimurium. In a first study, I use transposon-insertion sequencing to probe differences in gene requirements during growth on rich laboratory media, revealing differences in serovar requirements for genes involved in iron-utilization and cell-surface structure biogenesis, as well as in requirements for non-coding RNA. In a second study I more directly probe the genomic features responsible for differences in serovar pathogenicity by analyzing transposon-insertion sequencing data produced following a two hour infection of human macrophage, revealing large differences in the selective pressures felt by these two closely related serovars in the same environment. The second section, consisting of two chapters, uses statistical models of sequence variation, i.e. covariance models, to examine the evolution of intrinsic termination across the bacterial kingdom. A first collaborative study provides background and motivation in the form of a method for identifying Rho-independent terminators using covariance models built from deep alignments of experimentally-verified terminators from Escherichia coli and Bacillus subtilis. In the course of the development of this method I discovered a novel putative intrinsic terminator in Mycobacterium tuberculosis. In the final chapter, I extend this approach to de novo discovery of intrinsic termination motifs across the bacterial phylogeny. I present evidence for lineage-specific variations in canonical Rho-independent terminator composition, as well as discover seven non-canonical putative termination motifs. Using a collection of publicly available RNA-seq datasets, I provide evidence for the function of some of these elements as bona fide transcriptional attenuators.

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Chez certains pathogènes, les flavohémoglobines (flavoHbs) jouent un rôle important dans le système de défense des microorganismes en leur conférant une résistance contre le stress nitrosant généré par les cellules du système immunitaire. Dans la mesure où ces protéines sont absentes chez l’homme, plusieurs études ont été réalisées en vue de comprendre le fonctionnement des flavoHbs au niveau moléculaire en les considérant comme des cibles attractives potentielles pour des inhibiteurs sélectifs. L’inactivation de ces enzymes chez les pathogènes entraîne une perte de virulence. Des composés chimiques (dérivés azolés) ont été identifiés comme étant capables d’inhiber leur activité enzymatique et d’affecter les facteurs de virulence bactérienne. Si ces composés sont très utilisés dans le traitement d’infections fongiques cutanées invasives, leur activité antibactérienne potentielle n’est pas encore exploitée.Typiquement, les flavoHbs sont composées de trois domaines : un domaine à hème de type globine, un domaine de site de fixation d’une flavine et un domaine de fixation du substrat de l’enzyme, le NADH. Les structures cristallographiques des flavoHbs montrent que ce sont des protéines capables d'adopter des conformations différentes selon la nature et la présence de ligand de l’hème mais aussi selon l’organisme d’origine. Ces différentes conformations se traduisent par une mobilité d’un seul des trois domaines sans modification majeure des deux autres domaines. Nous avons entrepris, dans ce travail, l’étude de la flavoHb d’une bactérie pathogène, Staphyloccocus aureus (pathogenic bacteria), peu étudiée dans la littérature et sa comparaison avec celle issue de Ralstonia eutropha (bactérie non pathogène), mieux caractérisée, afin de tenter d’apporter des informations nouvelles voire plus spécifiques de leur fonctionnement chez les pathogènes.Le travail présenté dans ce manuscrit décrit tout d’abord la caractérisation fonctionnelle et biochimique de la flavoHb de S.aureus, et approfondi celle de R. eutropha. Du fait de l’absence de structure cristallographique de la flavoHb de S. aureus, nous avons construit un modèle structural théorique en se basant sur l’homologie de séquence forte entre la séquence d’acide aminée de S. aureus et celle de Saccharomyces cerevisiae dont la structure 3D a été récemment déterminée. Dans l’hypothèse où le mécanisme enzymatique des flavoHbs implique une transition entre différentes conformations, les flavoHbs de R. eutropha et S. aureus ont été modifiées génétiquement au niveau du résidu phénylalanine suggéré par l’analyse structurale comme pouvant jouer un rôle dans la transition entre les différentes conformations. Les conséquences de la mutation de Phe396 en Ser ou Ala ont été analysées au regard des activités catalytiques et des propriétés biochimiques de l’enzyme mais aussi des propriétés des transferts d’électrons intramoléculaires entre les groupements prosthétiques (hème et flavine) par différentes techniques spectroscopiques. Ce travail a permis de montrer que l’effet de la substitution du résidu Phe sur les propriétés enzymatiques diffère selon la flavoHb considérée et révèle dans certains cas un site de fixation de substrat autre que le substrat natif. L’effet d’inhibiteurs (dérivés azolés) mais aussi des quinones et de composés aromatiques nitrés sur le fonctionnement des protéines natives et modifiées génétiquement ont été également étudiés dans ce travail, ces derniers composés pouvant agir en tant que "substrats subversifs" pour les flavoHbs, transformant leurs fonctions de protection en fonctions cytotoxiques.L’ensemble de ce travail a montré que, malgré des structures et des séquences protéiques très voisines, les flavoHbs issues de bactéries différentes sont susceptibles de se comporter différemment vis-à-vis de l’introduction d’une même mutation, de l’effet d’un même inhibiteur et peuvent le cas échéant présenter aussi des cycles catalytiques sensiblement différents. / For some pathogens, flavohemoglobins (FlavoHbs) play an important role in the defense of microorganisms by conferring them a resistance against nitrosative stress generated by the immune system cells. Since these protein are absent in human, several studies have been conducted in order to understand the functioning of these proteins at the molecular level, considering them as potential attractive targets for selective inhibitors. Their inactivation results a loss of virulence. Chemical compounds such as azole derivatives have been identified as being capable of inhibiting their enzymatic function and thereby affecting the bacterial virulence factors. If these compounds are widely used in the treatment of invasive fungal skin infections, their potential antibacterial activity is not yet operated.Typically, flavoHbs are composed of three domains: an N-terminal globin domain which harbors a single heme b and a C-terminal ferredoxin reductase-like FAD- and NAD-binding module. The crystallographic structures of flavoHbs show that these proteins are able to adopt different conformations depending on the nature and the presence of heme ligand but also depending on different organisms they are coming from. The different conformations are characterized by a rigid body motion of one of the three domains. We have undertaken in this work, the study of the Staphyloccocus aureus flavoHb, poorly studied in the literature, and compared it to the Ralstonia eutropha flavoHb (non pathogenic bacteria) to provide new and more specific information on behaviors of these proteins derived from pathogens.This PhD work describes first the functional and biochemical characterization of the S. aureus flavoHb. Due to the lack of its crystallographic structure, a theoretical structural model was designed based on the strong sequence homology between the amino acid sequence of S. aureus and Saccharomyces cerevisiae for which the 3D structure was recently determined. We hypothesized that the relative movement of protein domains could be a way to regulate its enzymatic activity by controlling the substrate accessibility. The Phe396 residue (nomenclature according to R. eutropha), suggested by the structural data to play an important role in the enzyme functioning, but also in the equilibrium between different conformations, was substituted by the Ala or Serine amino acids. The effects of the punctual mutations were investigated with respect to the enzyme functioning and biochemical properties. The mutations effect on the internal electron transfer between flavoHbs cofactors (heme and FAD) was also studied by spectroscopic techniques. This work showed that the impact of Phe substitution on the enzymatic properties is different, depending the considered flavoHb and revealed an additional binding site for other substrate than the native one. The effects of azole derivative inhibitors and also quinones and nitroaromatic compounds have been studied on native and genetically modified enzymes functioning. The latter compounds may act as the ‘subversive substrates’ for flavoHb, converting its protective functions into the cytotoxic ones.Taken as a whole, this work showed that, although the protein structures and sequences are similar, the flavoHbs from different bacteria may behave differently towards an identical mutation, an identical inhibitor and could display different catalytic cycles.

The bacteria of genus Streptococci are among the most significant producers of hyaluronic acid in industrial scale. One of the typical representatives of that group is Streptococcus equi subsp. zooepidemicus. The production of hyaluronic acid in Streptococcus equi subsp. zooepidemicus is heavily influenced by cultivation conditions and by genetic alterations. The present work describes the deletion of genes covR and covS responsible for transcriptional regulation of stress response. According to Galeas a kol. [35] the deletion of these genes in S. pyogenes led to the hyaluronic acid capsule increase. As the S. pyogenes and S. equi subsp. zooepidemicus share approx. 80 % of genome, it was assumed, that the deletion of genes covR and covS in Streptococcus equi subsp. zooepidemicus genome would lead to the higher hyaluronic acid production. The new strain SEZ covRS was obtained by allelic replacement mutagenesis. The cultivations performed in laboratory-scale fermenters in rich Wheat E1 medium showed approx. 9% higher production over parental strain. Therefore, the covRS regulation system plays the same role in Streptococcus equi subsp. zooepidemicus and indirectly regulates the biosynthesis of hyaluronic acid.

Le cancer de l’ovaire est la première cause de décès par cancer gynécologique chez la femme. La survie globale à 5 ans est inférieur à 40% due à un diagnostique tardif et une haute fréquence des récidives malgré une chimiosensibilité initiale. Les caractéristiques cliniques et anatomopathologiques ne prédisent pas de façon précise le pronostic des patients et il est urgent de trouver de nouvelles cibles moléculaires. Ces dernières années plusieurs nouvelles stratégies ont émergé. De nombreux consortium ont analysé de façon exhaustive le génome des cancers ovariens établissant ainsi une carte d ‘identité précise des cancers avancés. Par ailleurs plusieurs groupes ont montré le rôle primordial du stroma tumoral dans la progression des tumeurs ovariens.Dans ce travail de thèse nous avons d’abord mis en place un modèle de culture tridimensionnel des cancers de l’ovaire en utilisant la membrane amniotique comme substitut au péritoine. Nous avons pu ainsi quantifier les premières étapes de l’invasion tumorale et montrer le rôle primordial des MSCs via la sécrétion de l’Interleukin IL6. Notre deuxième travail a consisté en une analyse des données de génomiques du TCGA. Nous avons utilisé les concepts de Background mutation rate et mis en place un système de mutagenèse in silico avec des boucles de réitération (Bootstrap). Cette stratégie nous a permis d’obtenir une liste des gènes qui auraient du être retrouvé muté. En posant l ‘hypothèse que les gènes protégés des mutations étaient primordiales au développement tumoral nous avons mis en place une plateforme de screening basé sur l’inhibition par siRNA pour démontrer la validité de notre stratégie. Ainsi nous avons pu montrer le rôle primordial de gène dont la fonction n’était pas décrite dans le cancer de l’ovaire (ANKLE2, MAB1-Beta).Au total utilisant deux stratégies différentes de recherche nous avons pu mettre ne évidence le rôle d’IL6 dans l’invasion initiale du péritoine par les cellules tumorales ovariennes et déterminer le rôle de gènes non muté dans la progression tumorale / Ovarian cancer causes more deaths in the United States than any other type of female reproductive tract cancer, with an estimated 21,980 new cases and 14,270 deaths in 2014. Approximately 70% of ovarian cancers are diagnosed at advanced stage and only 30% of women with such cancers can expect to survive 5 years. This low survival rate is due to the frequent diagnosis of epithelial ovarian cancer at an advanced stage, and to intrinsic and acquired resistance to platinum-based chemotherapy. Clinical and pathological classification methods, including tumor grade and the extent of surgical debulking, still fail to fully predict disease progression and patient outcome. Clinical profile of initial response to chemotherapy in the majority of patients followed by recurrence in high proportion of patients suggests the presence of a subpopulation of cells that survives and leads to chemoresistance. Only by treating this subpopulation we can achieve durable response rates.Genomic instability is a hallmark of malignant tumors, causing disturbed integrity of the genome, numerical alterations, and structural changes. For various cancer types greater genomic instability has been associated with poor prognosis, suggesting that genomic instability may confer growth advantage of cancer cells. With the recent development of next-generation sequencing (NGS) technology, the Cancer Genome Atlas (TCGA) researchers have identified molecular abnormalities related to the pathophysiology, clinical outcome, and potential therapeutic targets in high-grade serous ovarian cancer (HGSC). The TCGA study provides a large-scale integrative view of the aberration in HGSC with extensive heterogeneity between individual tumorsOur research protocols enabled us to combine computational biology approach and gene knock down in the first part to identify genes that play an important role in ovarian cancer biology. we carried out in silico mutagenesis of the human genome corresponding to the regions sequenced by publically available ovarian cancer sequencing data from the TCGA. We compared the simulated mutations to the observed mutations in the TCGA cohort. We found genes that were observed to be mutated less than expected from the simulation data.Our approach allowed us to identify therefore a set of genes that we think are selected and remain unmutated for their potential role in tumor progression. Silencing of un-mutated genes impacted growth, morphology, migration, invasion and chemotherapeutic. This is the first study depicting that inhibition of a specific non-mutated gene by its single targeting siRNA can be utilized to obtain improved therapeutic efficiency.

MSCAGR ( Plant Production) / Department of Plant Production / See the attached abstract below

Kardiovaskuläre Ereignisse bilden die Haupttodesursache in den westlichen Ländern. Mit der Einführung von Clopidogrel, welches am ADP-Rezeptor P2Y12 wirkt, konnte die Mortalität und Morbidität von kardiovaskulären Ereignissen signifikant gesenkt werden. Der P2Y12 gehört als G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) zur größten Gruppe membranständiger Rezeptoren, welche durch ihr ubiquitäres Vorkommen einen idealen Angriffspunkt in der Pharmakotherapie bilden. Zur intelligenten und gezielten Entwicklung von neuen Arzneimitteln bedarf es umfassender Kenntnisse der Struktur- und Wirkungsbeziehung von GPCR. Um den Modellrezeptor P2Y12 strukturell und funktionell zu charakterisieren, wurde eine sättigende Mutagenese in einem funktionell essentiellen Bereich des Rezeptors (Transmembranhelices 6 und 7 sowie 3. extrazellulärer Loop) durchgeführt. Hiermit sollten die Auswirkungen von Punktmutationen auf die Funktionsweise des Rezeptors untersucht werden. Hierfür wurden sättigende Mutantenbibliotheken für 66 Positionen erstellt, wobei jede Aminosäure (AS) durch jede nicht natürlicherweise im humanen P2Y12 vorkommende AS ersetzt wurde (1254 Mutanten). Diese wurden funktionell im Expressionssystem der Hefe Saccharomyces cerevisiae mit steigenden Agonistenkonzentrationen charakterisiert und anhand ihrer Funktionalität klassifiziert. Dabei wiesen 90,8 ± 1,9 % der Rezeptormutanten keine Wildtypeigenschaften auf. Die Auswertung von 77 Wirbeltierorthologen zeigte ebenso eine hohe Konservierung von 90,7 ± 1,5 % pro Position. Im direkten positionalen Vergleich zwischen evolutionären und in vitro Daten konnte eine Übereinstimmung der in vitro und in vivo Daten von 90,2 % gefunden werden. Die funktionellen Daten wurden in eine Online-Mutantendatenbank eingearbeitet und wurden in einem 3D-Rezeptor-Homologiemodell visualisiert. Damit ist der Beweis geführt worden, dass es mit guter Vorhersagewahrscheinlichkeit möglich ist, von evolutionären Daten Rückschlüsse auf die Relevanz von Mutationen zu ziehen.

Meis transcription factors belong to the group of TALE (three amino acids loop extension) homeodomain proteins. Meis2 proteins have a potential role in regulation of neural crest cells development and in differentiation of their derivates. Zebrafish genome has two paralogues of meis2 gene, meis2a and meis2b. CRISPR/Cas9 technology was used to prepare mutant lines of both paralogues, meis2a and meis2b, for the purpose of study of function of Meis2 transcription factors. Specific morpholinos that reduce the expression of meis2a and meis2b were used as controls. Craniofacial and cardiac development in mutant fish was analyzed in the meis2a line by RNA in situ hybridization, histological cartilage staining, and computed tomography. While we observed impaired craniofacial and cardiac development after injection of specific Morpholinos, we did not detect similar changes in the meis2a KO line. Our genetic approach has not clearly shown that the meis2a paralogue itself plays an important role in craniofacial development and cardiac development. For more detailed analysis, further experiments on fish lines with combined meis2a and meis2b knock-outs are needed. Key words Mutagenesis CRISPR, Danio rerio, neural crest cells, Meis2, transcription factor

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第21030号 / 医科博第91号 / 新制||医科||6(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 生田 宏一, 教授 清水 章, 教授 竹内 理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM