Cette thèse porte sur des expériences d'évolution de bactéries, avec le but d'explorer expérimentalement comment des transferts horizontaux d'ADN au sein d'une population de bactéries peuvent ou non modifier l'évolution de cette population. La méthode utilisée pour permettre des échanges d'ADN à l'intérieur de la population repose sur la propriété de transformation naturelle de la bactérie Acinetobacter baylyi. Une expérience pilote sans brassage de génomes a été faite sur 3000 générations et nous avons analysé par séquençage les mutations et la diversité apparues pendant cette expérience. On observe une structure en multiples sous-populations compatible avec un régime d'interférence clonale. Une expérience d'évolution avec échange d'ADN ainsi qu'une expérience contrôle avec une bactérie non compétente ont été réalisées dans les mêmes conditions sur 1300 générations. Des séquençages de génomes ont été effectués sur des populations et des clones à différents temps de chaque expérience d'évolution afin de mettre en évidence les mutations apparues ainsi que leur fréquence dans la population. La diversité dans l'expérience d'évolution avec brassage est nettement plus élevée jusqu'à 970 générations et est due à différents types de mutations alors que dans l'expérience sans brassage, la diversité est essentiellement due à des SNP. Cependant dans l'expérience avec brassage, on observe à 1300 générations une baisse de la diversité qui est liée à la fixation d'une mutation dans un gène essentiel pour la transformation. Ces résultats préliminaires laissent penser que le brassage a un avantage à court terme mais qu'à long terme l'avantage lié à l'échange s'amenuise

Sous des conditions de croissance particulières, certaines bactéries sont capables d'entrer en état de « compétence » pour la transformation naturelle, c'est-à-dire d'exprimer un ensemble de gènes nécessaires à la mise en place d'un système d'import d'ADN exogène dont l'intégration conduit à une transformation génétique et phénotypique. C'est le cas de Legionella pneumophila, bactérie environnementale et agent étiologique de la légionellose. La transformation naturelle a potentiellement participé à l'évolution du génôme de L. pneumophila.Ainsi, l'objectif premier de cette thèse était de décrire les composants principaux du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ainsi que son activation et rôle potentiel dans la relation de la bactérie avec ses hôtes. Des méthodes d'analyse transcriptomique et de mutagénèse dirigée ont permis d'identifier les principaux gènes impliqués dans la mise en place du système de transformation naturelle qui, de façon cohérente avec un rôle adaptatif, ne semble pas impliqué dans la virulence bactérienne. Le système inclut un pilus de transformation, structure fréquemment observée chez les espèces naturellement transformables. Le rôle de la protéine structurale MreB dans le mécanisme de transformation naturelle a également été étudié. En proposant un premier modèle du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ces travaux ouvrent la voie à une analyse plus détaillée de la dynamique du système et, plus généralement, à une meilleure compréhension des mécanismes de la transformation naturelle chez les bactéries Gram-négatives / Under certain growth conditions, some bacteria are able to develop a « competence » state for natural transformation, that is, to express a panel of genes involved in the assembly of a DNA uptake system that allows bacteria to take up and recombine free exogenous DNA, leading to a genetic and phenotypic transformation. Natural transformation may have played a role in the evolution of the L. pneumophila genome.Thus, the main objective of this work was to describe the main components of the L. pneumophila DNA uptake system and to investigate its role regarding the host-pathogen interaction. Transcriptomic analysis and directed mutagenesis permitted to identify the main components of the system which is not involved in bacterial virulence. The system include a transformation pilus that is a structure frequently found in transformable species. The role of the structural protein MreB has also been investigated.By describing a first model of the natural transformation system of L. pneumophila, this work paves the way to a deeper analysis of the system dynamics and, more generally, to a better understanding of natural transformation in Gram-negative species

H. pylori est une bactérie à Gram négatif qui infecte l'estomac de près de 50% de la population mondiale. L'infection, en général asymptomatique, peut évoluer vers l'ulcère gastrique (15% des cas) ou le cancer de l'estomac (1% des cas). L'infection à H. pylori est traitée par antibiothérapie mais ces dernières années ont vu une augmentation du nombre de souches résistantes. Cette augmentation et la forte prévalence d'H. pylori sont probablement dues à son importante variabilité génétique qui a pour origine un fort taux de mutagénèse spontanée, associée à une recombinaison efficace et un important transfert horizontal de gènes. H. pylori est en effet naturellement compétente pour la transformation qui est le processus biologique permettant la capture, l'internalisation et l'intégration d'ADN exogène dans le génome de la bactérie. Ce processus favorise la diversité génétique au sein d'une population et peut permettre son adaptation rapide aux changements environnementaux. Durant ma thèse, j'ai participé au développement d'une méthode permettant de visualiser la transformation d'ADN fluorescent dans des cellules de H. pylori vivante. Cette méthode nous a permis, pour la première fois, de visualiser directement l'entrée d'un ADN transformant dans le cytoplasme d'une bactérie compétente. Elle nous a également permis de confirmer le rôle de la protéine ComEC dans l'internalisation de l'ADN dans le cytoplasme. Le travail que j'ai réalisé a également permis de mettre en évidence que le niveau de transformation de H. pylori est déterminé par le niveau d'expression du complexe membranaire d'internalisation. La quantité d'ADN capturée serait alors un facteur limitant pour la transformation. / H. pylori is a Gram negative flagellar bacterium that colonizes nearly 50% of the world population. Infection is generally asymptotic but can evolve to ulcerous gastritis (15% of the cases) or stomach cancer (1% of the cases). H. pylori infection is usually treated with antibiotic but the last years saw a dramatic increase in the number of resistant strains. This increase, and the high prevalence of H. pylori, are probably caused by its huge genetic variability likely due to a strong mutagenesis rate associated with efficient recombination and horizontal gene transfer. H. pylori is indeed naturally competent for transformation which is the biological process allowing capture, internalization and integration of exogenous DNA in the genome of a bacterium. This process promotes genetic diversity in a population and could permit rapid adaptation to environmental changes. During my thesis, I participated to the development of a method to visualize transformation in H. pylori living cells. Using fluorescently labelled DNA, this method allowed us for the first time to follow directly the entry of a transforming DNA into the cytoplasm of competent bacteria. It also allowed us to confirm the role of the ComEC protein in the internalization of the DNA in the cytoplasm. The work I performed also allowed to show that the level of expression of the uptake complex determines the transformation efficiency of H. pylori. The amount of captured DNA would then be a limiting factor for the transformation in this bacterium. Finally, I initiated the biochemical and genetic characterization of the NucT protein, a nuclease associated to the membrane and implicated in the transformation.

La transformation naturelle est la capacité de certaines bactéries à incorporer et à recombiner activement de l’ADN extra-cellulaire. Ce procédé majeur augmente la plasticité et l’adaptabilité des bactéries à Gram positif et négatif en réalisant des échanges génétiques intra- et inter-espèces. S. pneumoniae est un pathogène majeur de l’Homme. Cette bactérie est responsable d’infections sévères telles que des pneumonies, des méningites et des septicémies. Dans cette espèce, la transformation naturelle est corrélée au phénomène de changement de capsule et à la baisse d’efficacité des vaccins. La plupart des bactéries à Gram positif naturellement transformables possèdent un opéron comG, semblable aux opérons codant pour la famille des pili de type IV, extrêmement répandus chez les bactéries à Gram négatif. Il a été proposé que l’opéron comG est responsable de la formation d’un petit filament, nommé pseudo- pilus. Cependant, un tel filament n’a jamais été observé. Par des techniques de mutagenèse, de caractérisation biochimique, de microscopie optique et électronique, nous sommes parvenus à identifier des filaments de plusieurs micromètres de long à la surface de bactéries S. pneumoniae compétentes. Nous avons confirmé l’appartenance de ces filaments à la famille des pili de type IV. Par conséquent, nous avons infirmé l’hypothèse de la formation d’un pseudo-pilus par l’opérons comG chez S. pneumoniae. De plus, nous avons montré que les pili se lient à l’ADN et qu’ils sont requis pour la capture de l’ADN extra-cellulaire. Ces résultats apportent des informations cruciales concernant les premières étapes de capture de l’ADN durant la transformation naturelle. Nous proposons un nouveau modèle dans lequel le pilus agirait comme un « piège à ADN », capturant l’ADN à la surface des bactéries compétentes pour le guider jusqu’au pore d’entrée dans la cellule. / Natural transformation is the ability of bacteria to actively take up and recombine extracellular DNA. This crucial process increases genome plasticity and adaptability of Gram-negative and Gram-positive bacteria through intra- and inter-species genetic exchange. S. pneumoniae is a major human pathogen responsible for severe diseases such as pneumonia, meningitis and septicemia. In this species, transformation has been linked to capsular serotype switching and reduced vaccine efficiency. Most transformable Gram-positive bacteria carry a comG operon that resembles operons encoding a widespread family of pili in Gram-negative bacteria, the type IV pili. It has been commonly proposed that the comG operon is responsible for the formation of a short pseudo-pilus filament. However, such an appendage had never been visualized in any bacterium. By mutagenesis, biochemical characterization, optical and electron microscopy techniques we were able to identify long, micrometer-sized appendages protruding from the surface of competent S. pneumoniae. We confirmed the Type IV pili nature of these appendages, we showed that they bind DNA, and are absolutely required for DNA uptake. We consequently overthrew the pseudopilus hypothesis at least in S. pneumoniae, and provided crucial information concerning the initial step of DNA uptake. We propose a revised model in which the transformation pilus acts as a “DNA trap” capturing DNA at the surface of competent cells, guiding it to the translocation channel.

Helicobacter pylori est une bactérie à Gram-négatif qui colonise la muqueuse de l’estomac humain. Elle se distingue des autres bactéries par un nombre de gènes très limité et de nombreuses particularités physiologiques et biochimiques. Elle provoque des infections associées à différentes maladies gastro-duodénales (ulcères et cancers). Depuis quelques années, une recrudescence de multi-résistances aux antibiotiques est observée. La transformation naturelle est l’un des processus clés qui les propage. Il s’agit d’un mécanisme de transfert horizontal de gènes qui permet aux bactéries de s’adapter à leur environnement, en internalisant des fragments d’ADN exogène à travers leur membrane, puis en les intégrant dans le chromosome par recombinaison homologue. Mes travaux ont visé à étudier de façon structurale et fonctionnelle trois protéines d’H. pylori décrites comme étant essentielles dans le processus de transformation naturelle: NucT, DprA et ComFc. La première partie de ce travail s’est concentrée sur la nucléase périplasmique NucT, supposée être impliquée dans la transformation chez H. pylori. Cependant, la délétion de son gène a permis de démontrer qu’elle ne joue en fait qu’un rôle mineur dans ce processus. La résolution de sa structure 3D a permis de mieux comprendre sa spécificité pour les acides nucléiques simple brin. Dans la seconde partie, la protéine DprA, responsable du chargement de la recombinase RecA sur l’ADN internalisé, a été étudiée. DprA d’H. pylori n’est composée que de 2 des 3 domaines qui constituent habituellement DprA, et fixe aussi bien l’ADN double brin que l’ADN simple brin mais uniquement via son domaine RF. Malgré son homologie structurale avec le domaine WH de liaison à l’ADN, le domaine C-terminal de HpDprA n’a pas d’affinité pour l’ADN. Nous avons mis en évidence des acides aminés conservés dans ce domaine dont l’étude pourrait permettre de comprendre son rôle. Enfin, une étude structurale de la protéine ComFc dont la délétion du gène entraîne la disparition totale de la capacité de transformation d’H. pylori a été réalisée. L’obtention de sa structure 3D a permis de mettre en évidence la présence d’un domaine catalytique phosphoribosyl-transférase ainsi que d’un domaine en doigt en zinc. Ce dernier pourrait être responsable de la capacité de ComFc à fixer l’ADN. Le substrat naturel de cette enzyme reste à découvrir.L’ensemble de ce travail a permis de contribuer à une meilleure compréhension à l’échelle moléculaire du mécanisme de transformation génétique naturelle d’H. pylori. L’avancement sur ces connaissances pourrait à long terme aider à réduire la propagation des multi-résistances par l’élaboration de nouvelles thérapies.Mots-clés : H. pylori, transformation naturelle, NucT, DprA, ComFc, interaction protéine-ADN / Helicobacter pylori is a Gram-negative bacterium that colonizes the mucus of the human stomach. It is distinguished from other bacteria by a limited number of genes and many physiological and biochemical characteristics. It causes infections associated with various gastro-duodenal diseases (ulcers and gastric cancers). In recent years, an increase in multi-resistance to antibiotics has been observed. Natural transformation is one of the key processes that spreads these multi-resistances. It is a horizontal gene transfer mechanism that allows bacteria to adapt to their environment by internalizing exogenous DNA fragments through their membrane and then integrating them into the chromosome by homologous recombination. My work aimed to study in a structural and functional approach three proteins of H. pylori described as essential in the natural transformation process: NucT, DprA and ComFc. The first part of this work focused on periplasmic nuclease, NucT, which is supposed to be involved in transformation in H. pylori. However, the deletion of its gene has shown that it actually plays only a minor role in this process. The resolution of its 3D structure has led to a better understanding of its specificity for single-stranded nucleic acids. In the second part, the protein DprA, responsible for loading RecA recombinase onto internalized DNA, was studied. HpDprA is composed of only 2 of the 3 domains that usually constitute DprA, and binds both double-stranded and single-stranded DNA but only via its RF domain. Despite its structural homology with the WH DNA binding domain, the C-terminal domain of HpDprA has no affinity for DNA. We have identified conserved amino acids in this domain that could be studied to understand its role. Finally, a structural study of ComFc, whose deletion of the gene leads to the total disruption of the transformation capacity of H. pylori, has been carried out. The acquisition of its 3D structure has highlighted the presence of a phosphoribosyl transferase catalytic domain as well as a zinc finger domain. The latter could be responsible for capacity of ComFc to bind DNA. The natural substrate of this enzyme remains to be discovered.All this work has contributed to a better knowledge at the molecular level of the natural genetic transformation mechanism of H. pylori. Advancing this knowledge could in the long term help to reduce the spread of multiresistance through the development of new therapies.Keywords: Helicobacter pylori, natural transformation, NucT, DprA, ComFc, protein-DNA interaction

La bactérie Deinococcus radiodurans est connue pour sa capacité à résister à un grand nombre de traitements génotoxiques parmi lesquels on peut citer l’exposition aux rayons ionisants, aux ultra-violets, à la mitomycine C, à la dessication et au stress oxydant. Elle est capable lors d’une exposition à des doses extrêmes de rayons γ générant des centaines de cassures de l’ADN de reconstituer un génome intact en seulement 2 à 3 heures via un mécanisme original, l’ESDSA, impliquant une synthèse massive d’ADN pendant la phase de réparation des cassures de l’ADN. En plus de mécanismes efficaces de réparation de l’ADN, elle possède un kit de survie comprenant une compaction importante du nucléoïde, des mécanismes de protection des protéines contre l’oxydation, une réponse originale aux lésions de l’ADN et des protéines spécifiques induites après irradiation. Tous ces facteurs contribuent au maintien de l’intégrité du génome et à la survie de la cellule lors de l’exposition à différents agents génotoxiques. Souvent considéré comme un organisme ayant une stabilité génomique exceptionnelle, cette bactérie possède dans son génome un grand nombre de séquences répétées et des éléments mobiles et est par ailleurs naturellement compétente. Ce sont autant de facteurs pouvant participer à la variabilité génétique de cette espèce. Je me suis donc intéressée lors de ma thèse à deux processus pouvant participer à l’instabilité génétique chez D. radiodurans : la recombinaison entre séquences répétées et la transformation naturelle.L’introduction dans le génome de D. radiodurans de séquences répétées directes de 438 pb séparées par des régions d’ADN d’une longueur allant de 1479 pb à 10 500 pb m’a permis de mettre en évidence le rôle majeur joué par l’appariement simple brin (Single Strand Annealing ou SSA) impliquant la protéine DdrB, spécifique des Deinococcaceae, joue un rôle majeur dans la recombinaison « spontanée » entre les séquences répétées en absence de la recombinase RecA. L’absence de DdrB dans des souches déficientes pour la recombinaison augmente davantage la perte de viabilité observée dans ces souches ce qui suggère que le SSA participe à la prise en charge de fourches de réplication bloquées, source majeure d’instabilité génétique en absence de stress extérieur, si ces fourches ne peuvent être prise en charge par des voies impliquant des protéines de recombinaison. Je me suis également intéressée à la transformation naturelle et aux protéines impliquées dans ce processus chez D. radiodurans. J’ai pu démontrer que la protéine DprA impliquée dans la protection de l’ADN simple brin et le chargement de RecA sur l’ADN simple brin internalisé lors de la transformation de nombreuses espèces comme Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis ou Helicobacter pylori, est également impliquée dans la transformation chez D. radiodurans. J’ai pu montrer également qu’en plus de jouer un rôle majeur dans la transformation par de l’ADN plasmidique, DdrB est impliquée dans la transformation par de l’ADN génomique si la protéine DprA est absente. / The bacterium Deinococcus radiodurans is known for its ability to withstand a large number of genotoxic treatments, including exposure to ionizing or ultraviolet radiation, mitomycin C, desiccation, and oxidative stress. It is able, upon exposure to extreme doses of γ-radiation generating hundreds of DNA breaks, to reconstitute an intact genome in only 2 to 3 hours via an ESDSA mechanism, involving massive DNA synthesis during DNA double strand break repair. Together with efficient DNA repair mechanisms, D. radiodurans possesses a survival kit comprising significant compaction of its nucleoid, protection mechanisms against protein oxidation, an original response to DNA damage and specific proteins induced after irradiation. All of these contribute to the maintenance of genomic integrity and cell survival upon exposure to various genotoxic agents. In spite of the idea that D. radiodurans is an organism with outstanding genomic stability, this bacterium has in its genome a large number of repeat sequences and mobile elements and is also naturally competent. All these factors contribute to the genetic variability of species. I was interested in two processes that can play a role in genetic variability in D. radiodurans: recombination between repeated sequences and natural transformation.The introduction, into the genome of D. radiodurans, of 438 bp direct repeated sequences separated by DNA regions ranging from 1,479 bp to 10,500 bp in length allowed me to demonstrate the major role of Single Strand Annealing (SSA) involving the DdrB protein specific for Deinococcaceae, in the "spontaneous" recombination between the repeated sequences in the absence of the RecA recombinase. The absence of DdrB in strains deficient for recombination further increased the loss of viability observed in these strains, suggesting that SSA is required for the management of blocked replication forks, a major source of genetic instability in the absence of external stress when these forks cannot be rescued by pathways involving recombination proteins.I was also interested in the natural transformation and proteins involved in this process in D. radiodurans. I demonstrated that DprA protein involved in DNA single strand protection and loading of RecA on single-stranded DNA internalized during transformation of many species such as Streptococcus pneumoniae, Helicobacter pylori, or Bacillus subtilis, is also involved in this process in D. radiodurans. I also showed that, in addition to playing a major role in transformation by plasmid DNA, DdrB is also involved in transformation by genomic DNA of cells devoid of the DprA protein.

La transformation génétique naturelle est un mode de transfert horizontal de gènes chez les bactéries, qui contribue au maintien et à l'évolution de leurs génomes. C’est un mécanisme clé pour l’adaptation des bactéries, qui pourrait être responsable de la transmission des résistances aux antibiotiques observée en clinique chez certaines espèces pathogènes (S. pneumoniae, H. pylori,…). La transformation naturelle s’effectue par l’internalisation d’ADN exogène à travers la membrane, puis par sa prise en charge jusqu’à son intégration dans le chromosome bactérien par recombinaison homologue. Le processus de prise en charge fait intervenir la protéine DprA, très conservée dans le monde bactérien, impliquée dans la protection de l’ADN entrant contre les nucléases, et dans le recrutement de la recombinase universelle RecA sur l’ADNsb. DprA joue donc un rôle majeur et a récemment été décrite comme étant impliquée dans d’autres aspects de la transformation génétique naturelle, comme la fermeture de la compétence via une interaction directe avec le régulateur de réponse ComE, ou la levée de la barrière du système de restriction-modification afin de faciliter la transformation. Chez H. pylori, DprA est en opéron avec DprB, suggérant l’implication de ces 2 protéines dans une même voie et une interaction directe entre elles. DprA apparaît donc comme étant au cœur d’un véritable réseau d’interaction, protéique et nucléique. / The natural genetic transformation is a mode of horizontal gene transfer that contributes to the maintenance and to the evolution of the genomes in bacteria. It is a key mechanism for their adaptation which could be responsible for the transmission of antibiotic resistances observed clinically for some pathogenic species (S. pneumoniae, H. pylori...). Natural transformation is performed by internalizing exogenous DNA followed by its processing and its integration into the bacterial chromosome by homologous recombination. The DNA processing involves the highly conserved DprA protein for the protection of the incoming DNA against nucleases and the recruitment of the universal recombinase RecA on ssDNA. DprA plays a key role and has recently been suggested to be involved in other aspects of the natural genetic transformation, such as the shut-off of the competence via a direct interaction with the response regulator ComE, or removal of the restriction-modification barrier system in order to facilitate the processing. In H. pylori, the dprA gene is in operon with dprB, whose function is unknown, suggesting their involvement in the same pathway and their likely direct interaction. DprA appears to be central in protein/nucleic acid interactions network.

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.