Chaque année, de nombreux génomes bactériens sont séquencés et il devient de plus en plus évident que la participation des îlots génomiques à la plasticité bactérienne est prépondérante. Pourtant, bien que la définition même des îlots génomiques implique qu'ils aient été acquis par transfert horizontal, le mécanisme de transfert de nombre d'entre eux demeure inconnu. L'un des mécanismes employés par les îlots génomiques pour se transférer est le transfert conjugatif. Le but de ce projet de recherche était d'étudier le mécanisme de mobilisation d'une nouvelle classe d'îlots génomiques, initialement identifiés dans les genres Vibrio et Alteromonas. Les résultats obtenus ont permis la caractérisation d'un mécanisme de mobilisation inédit reposant sur la reconnaissance par un élément intégratif et conjugatif (ICE) d'une séquence similaire à son origine de transfert sur des îlots génomiques. Grâce à cette reconnaissance spécifique, ces îlots génomiques sont mobilisables par les ICE de la famille SXT/R391, retrouvés principalement chez Vibrio. Cette étude présente l'ensemble du mécanisme de mobilisation des îlots génomiques mobilisables (MGI) par les ICE SXT/R391 à partir de l'excision du chromosome de la cellule donneuse jusqu'à l'intégration dans le chromosome de la cellule réceptrice, en passant par l'initiation du transfert au niveau de l'origine de transfert et le transfert au travers du pore de conjugaison synthétisé par l'ICE. La diversité génétique de la famille des MGI a également été étudiée et apporte des précisions sur leurs rôles et leur possible origine évolutive.

La pression rencontrée par les organismes sur Terre varie de la pression atmosphérique à 110 MPa atteinte dans la fosse la plus profonde de l'océan. Même si Escherichia. coli n’est pas naturellement résistante à la pression, elle capable d'acquérir une résistance et même supporter un choc de pression de 2 GPa (~20 000 atm). L'une des réponses intéressantes d’E. coli à un choc sous létal de pression (100 MPa) est l'induction d'une réponse SOS dépendante de RecA due à des lésions double brins de l’ADN. La pression elle-même n'est pas capable de compromettre l'intégrité covalente de l'ADN. Des criblages ont permis d’isoler des souches d’E. coli résistantes à la pression qui révèlent qu'une endonucléase de restriction (ER) de type IV, Mrr, est le seul facteur responsable du clivage de l'ADN. Cette enzyme cible uniquement l'ADN méthylé et l’expression d’une MTase étrangère, M.HhaII, est également capable d'induire une réponse SOS dans des souches de E. coli en présence de Mrr. Ici, nous démontrons en utilisant des techniques de fluctuations d’intensité de fluorescence, in vivo et in vitro que Mrr est un présent sous la forme d’un tétramère dans les cellules non stressées. La pression est capable de dissocier Mrr en dimères actifs qui peuvent lier l'ADN et cliver à certains sites cryptiques. En revanche, la MTase HhaII favorise la forme dimeric de Mrr liée à l’ADN en raison de la méthylation de nombreux sites de haute affinité. Une analyse mutationnelle et un modèle d’homologie 3D de la protéine entière révèle la base structurelle probable du changement entre la forme tétramérique inactive à la forme dimérique active. Nous avons mis en pace un système permettant de faire de la microscopie sous pression (in vitro and in vivo) et nos résultats préliminaires ont confirmé notre modèle d’activation de Mrr. / The pressure encountered by organisms on Earth varies from the atmospheric pressure to 110 MPa as reached in the deepest trench of the ocean. Although Escherichia coli is not naturally resistant to high pressure, it is capable of acquiring pressure resistance and withstanding a pressure shock up to 2 GPa (~20,000 atm). When exposed to a sub-lethal pressure shock (100 MPa) E. coli induces a RecA-dependent SOS response due to DNA double strand breaks. Pressure itself is not capable of compromising the covalent integrity of the DNA. Instead, screens for pressure-resistance E. coli mutants have revealed that a Type IV restriction endonuclease, Mrr is the only factor responsible for DNA cleavage. This enzymes targets only methylated DNA and expression of a foreign methyltransferase, M.HhaII, is also capable of inducing an SOS response in strains harboring Mrr. Here, we demonstrate using fluorescence fluctuation techniques in vivo and in vitro that Mrr is present as a tetramer in unstressed cells and that pressure dissociates Mrr into active dimers that can bind DNA and cleave at some cryptic sites. In contrast, the M.HhaII MTase pulls the Mrr tetramer-dimer equilibrium to the dimer-bound DNA form probably due to the methylation of many high-affinity sites. Mutational analysis associated with a 3D homology model of the full-length protein reveals the probable structural basis for the switch from an inactive tetramer to an active dimer. We set up a system that allows microscopy experiments (in vitro and in vivo) under pressure and preliminary results have confirmed our model of Mrr activation.

Les éléments intégratifs et conjugatifs (ICEs) sont des éléments génétiques mobiles bactériens largement reconnus en tant qu'importants vecteurs de la transmission des gènes de résistance aux antibiotiques. Comme tous les éléments génétiques mobiles, ils participent grandement à la plasticité génomique de leur hôte, en permettant le transfert horizontal de gènes conférant des avantages pour l'adaptation de leur hôte à différentes conditions environnementales. Les ICEs se transfèrent horizontalement par conjugaison, par un mécanisme similaire à celui emprunté par les plasmides conjugatifs. Cependant, au contraire des plasmides, les ICEs ne possèdent pas un intermédiaire circulaire extrachromosomique réplicatif : ils s'intègrent plutôt dans le chromosome de leur hôte par recombinaison site-spécifique, à la manière d'un prophage. Une conséquence de ces deux caractéristiques est qu'ils sont également transmis verticalement lors de la division cellulaire de leur hôte. Lorsque soumis à certaines conditions, les ICEs s'excisent de leur hôte sous forme d'une molécule circulaire qui est le substrat pour leur transfert conjugatif vers un nouvel hôte. Une fois transférée, la molécule de l'ICE est recircularisée et s'intègre dans le chromosome. Les ICEs de la famille SXT/R391 sont largement distribués dans les souches de Vibrio cholerae et dans les ?-protéobactéries apparentées et ont été isolées dans une diversité d'endroits géographiques. Les membres de cette famille comportent un large squelette de gènes conservés qui codent pour leurs fonctions principales d'intégration/excision, de transfert conjugatif et de régulation. À l'intérieur de ce squelette sont retrouvées des régions.variables - dont la nature et les combinaisons diffèrent d'un élément à l'autre - qui codent pour des fonctions accessoires telles les résistances aux antibiotiques. Le patron de combinaisons des régions variables entre différents ICEs a mené à l'hypothèse qu'ils sont soumis à de fréquents échanges de matériel génétique par recombinaison. L'intégration site-spécifique de tous les membres de cette famille dans le même locus chromosomique permet la coexistence de deux ICEs semblables mais non identiques dans la même cellule, ce qui fournit un substrat à la recombinaison inter-ICE et permet la formation d'éléments hybrides. Cette thèse présente l'étude d'un nouveau système de recombinaison homologue identifié dans le squelette des ICEs SXT/R391 et sa participation dans la formation d'ICEs hybrides. Ce système de recombinaison, composé de la recombinase Bet et de l'exonucléase Exo est apparenté au système de recombinaison Red du bactériophage ? et est retrouvé chez tous les membres de la famille SXT/R391. La première portion du projet a visé l'identification des déterminants génétiques impliqués dans la formation d'hybrides. Les résultats obtenus démontrent que les ICEs hybrides peuvent être formés par trois voies différentes : i) Bet/Exo, d'une manière indépendante de RecA, ii) RecA et iii) Bet/Exo et RecA, de manière coopérative. Les résultats démontrent également que l'excision des éléments du chromosome ainsi que leur transfert conjugatif vers une nouvelle cellule ne sont pas nécessaires pour former des hybrides. Cette portion du projet met en évidence que les ICEs de la famille SXT/R391 sont capables de promouvoir leur propre diversité à l'aide du système de recombinaison homologue RecA-indépendant qu'ils codent. La deuxième partie du projet s'est portée sur la régulation de l'expression du système de recombinaison Bet/Exo. Les résultats obtenus démontrent que la transcription des gènes de recombinaison est induite en présence d'agents causant des dommages à l'ADN, par le biais des activateurs de transcription de l'ICE, SetC et SetD. Ces activateurs sont sous le contrôle du répresseur principal SetR, dont la répression est levée par les conditions qui induisent la réponse SOS de l'hôte, et sont responsables de l'expression concertée des gènes d'intégration/excision et de transfert conjugatif. Bien que la transcription des gènes de recombinaison soit fortement induite en présence d'agents induisant la réponse SOS, l'analyse de leur profil traductionnel démontre que leur traduction est fortement régulée. Des atténuateurs de traduction putatifs positionés en amont de Bet et Exo pourraient être responsables de ce niveau additionnel de régulation. L'analyse de l'organisation génétique du locus de recombinaison a mis en évidence que bet et exo font partie d'un opéron polycistronique comprenant 12 autres gènes du squelette conservé des ICEs SXT/R391, dont les fonctions ne sont pas connues. Finalement, une analyse in silico visant à identifier tous les systèmes de recombinaison apparentés au sein des génomes séquencés de bactéries, plasmides et virus a permis de démontrer qu'un nombre important de ces systèmes existent chez une diversité d'espèces bactériennes appartenant à des taxons éloignés. Bien que la majorité de ces systèmes soient codés par des bactériophages, plusieurs sont retrouvés sur des plasmides conjugatifs. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse permet une meilleure compréhension de l'évolution des éléments génétiques mobiles bactériens, et plus particulièrement des éléments intégratifs et conjugatifs de la famille SXT/R391.

Les bactériophages sont les virus spécifiques des bactéries. Ils sont considérés comme les entités biologiques les plus abondantes de la biosphère (1031 au total). Une grande partie des bactériophages sont dits tempérés de part leur propriété à intégrer leur génome dans celui de leur hôte et à s'y maintenir en état de réplication passive appelé lysogénie. Les gènes de prophages apportent de nouvelles propriétés à l'hôte via la conversion lysogénique. De nombreux prophages défectifs et fonctionnels sont maintenus dans les génomes bactériens. Nous avons émis l'hypothèse que des stratégies de maintien aient été sélectionnées pour maintenir cette source de gènes, même si elle est potentiellement dangereuse car les prophages peuvent être induits dans des conditions de stress.Nos résultats suggèrent que le maintien de la lysogénie d'une catégorie de prophages, qui présente une organisation génétique atypique du module de recombinaison spécifique de site, est sous le contrôle du facteur de terminaison de la transcription Rho. Pour ces prophages, qu'ils soient défectifs ou fonctionnels, leur induction par inactivation de Rho, fait intervenir une nouvelle voie d'induction lytique indépendante de la voie classique via la réponse SOS.Ces interactions hôtes-virus reflète la coévolution de ces microorganismes, qui permet l'acquisition de gènes via le transfert horizontal tout en contrôlant l'expression des gènes délétères. Ceci permet l'acquisition de nouvelles propriétés et l'adaptation de l'hôte à différentes conditions environnementales. / Bacteriophages are the most abundant biological entities in the biosphere. A majority of them are temperate phages that are able to integrate their genome into the host and replicate passively in a lysogenic state. Hosts frequently benefit from such massive gene acquisition through lysogenic conversion. As prophages may be beneficial to their hosts, we hypothesize that hosts adapted strategies for maintaining that gene source. Since prophages integrate into and excise from the host chromosome through site-specific recombination (SSR), we investigated whether regulation of SSR at the level of gene expression could be involved in the maintenance process. Our results suggest that lysogeny maintenance of a class of prophages, which all share a same unusual genetic organization, are controlled by the transcription termination factor Rho. Rho is not only involved in horizontally acquired gene silencing but also in prophage maintenance, which can be seen as an adaptation of the host to maintain prophage genes. For these prophages, whether defective or functional, their induction by the inactivation of Rho, involves a new pathway of lysogeny escape, which is independent of the classical pathway via the SOS response. This newly characterized interaction reflects the coevolution of host and viruses, which allows the acquisition of genes, and thus new properties, via horizontal transfer, while controlling the expression of deleterious genes.

L’émergence des déterminants de résistances plasmidiques aux quinolones (PMQR), auxquels appartient le gène qnrD, participent de manière significative à la sélection des résistances de haut-niveau aux permet les réparations de l’ADN lors des stress soumis aux bactéries, et d’autre part, que les aminosides, une autre classe d’antibiotiques que les fluoroquinolones, induisaient la réponse SOS chez Escherichia coli. En effet, nous avons montré que les petits plasmides-qnrD chez E. coli, induisent la formation de monoxyde de nitrogène et l’inhibition de la voie de détoxification Hmp-dépendante. Ces processus génèrent des lésions à l’ADN qui s’ajoutent à celles occasionnées par les aminosides concourant à activer la réponse SOS chez E. coli. L’ensemble de nos résultats montrent que l’émergence de la résistance aux fluoroquinolones peut être occasionnée par l’exposition d’E. coli à une autre classe d’antibiotiques, ici les aminosides. / The emerging plasmid-mediated quinolones resistance (PMQR) determinants significantly participate in the selection of high-level of resistance to the major antibiotics fluoroquinolones, leading to numerous clinical failures. In this study, we reported for the first time that PMQR expression could be triggered by the fluoroquinolones but also by another major class of antibiotics, the aminoglycosides. We were able to show that this unique cross selection of antibiotic resistance was the consequence of the PMQR determinant qnrD being SOS-regulated in a RecA-LexA dependent manner. We demonstrated that sub inhibitory concentration of aminoglycoside induced nitric oxide formation associated with the repression of the Hmp-mediated detoxification pathway, resulting in the induction of the SOS response and thus up-regulation of the PMQR. Overall, our findings revealed an unexpected antibiotic resistance cross-selection with low aminoglycosides concentrations promoting emergence of fluoroquinolones resistance.

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) sont responsables de toxi–infections alimentaires conduisant à des colites hémorragiques pouvant se compliquer d'un syndrome hémolytique et urémique. Le facteur majeur de pathogénicité est la production de Shiga-toxines (Stx), dont la toxine Stx2. Nous avons étudié la production de toxine Stx2 in vitro par des souches STEC provenant de diverses origines (bovine ou clinique), appartenant à divers séropathotypes, et codant pour différents variants Stx2. Nous avons montré que les souches O157:H7 les plus pathogènes possèdent le variant stx2 et produisent de fortes quantité de Stx2 en conditions basales comme en présence d'un inducteur du système SOS. Les souches non-O157 présentant ces caractéristiques pourraient représenter un risque pour la santé humaine. Nous avons ensuite étudié l'effet de molécules présentes dans le tube digestif sur la synthèse de Stx2 par E. coli O157:H7. Les auto-inducteurs AI-2 et AI-3 du quorum sensing, produits par le microbiote intestinal, n'influencent pas la synthèse de Stx2, non plus que l'hormone intestinale norépinéphrine. Cependant, la protéine régulatrice QseA impliquée dans une voie de signalisation par le quorum sensing serait un activateur transcriptionnel de stx2. Enfin, nous avons étudié la production de Stx2 par la souche EHEC O157:H7 EDL 933 dans un milieu se rapprochant le plus possible de celui rencontré in vivo par les EHEC, en particulier grâce à un modèle de rats associés au microbiote intestinal humain. Nous avons ainsi montré que le microbiote humain inhibe la transcription de stx2 par l'inhibition de la transcription de recA même lors de l'induction du système SOS, et que cette inhibition peut être en partie attribuée à l'espèce Bacteroides thetaiotaomicron.