[Journal Club] Reponse strigente et regulation globale de l'expression

[gorben]

Salut,

The rpoB mutants destabilizing initiation complexes at stringently controlled promoters behave like "stringent" RNA polymerases in Escherichia coli.

Pour mon premier journal club, je tenais a presenter un article relativement peu connu par «le grand public». C'est un papier qui traite de la regulation de la transcription. Le modele propose a la fin par les auteurs a bouscule un dogme et a elargi la vision sur la regulation globale des genes.

Bien... avant de commencer, un petit peu de background.
Chez les bacteries une seule ARN polymerase (ARNP) est responsable de la synthese de tous les ARN. En croissance rapide, environ 95% des ARNP sont engagees dans la transcription des genes controles par des promoteurs forts dits «stringents» (ARN stables, facteur sigma majeur, etc...). Lorsqu'un stress survient (par exemple la famine) un mecanisme appele «reponse stringente» et faisant intervenir une alarmone (guanosine tetraphosphate : ppGpp) se met en place. Ce mecanisme permet de reduire la transcription a partir des promoteurs stringents (devenus «inutiles») et de stimuler la transcription des genes de biosynthese des acides amines, bases, etc...
A l'epoque ou ce papier est sorti, l'idee etait que l'ARNP etait illimitee dans les cellules, et que la regulation faisait intervenir les differents facteurs sigma et/ou les facteurs de transcription pour rediriger l'enzyme vers les cibles appropriees.

L'etude presentee ici est la suite directe d'un papier sorti en 1997 ou les auteurs avaient montres que certaines souches resistantes a la rifampicine (mutation dans la sous unite beta de l'ARNP) presentaient une croissance lente sur milieu riche, et une reduction de la synthese du facteur sigma majeur (sigma 70). Cet article de 1998 est donc axe sur la caracterisation du mecanisme responsable du phenotype observe.

Le premier point interessant souleve par les auteurs est que ces mutants d'ARNP ont un phenotype dit «strigent». C'est a dire qu'en absence de l'alarmone ppGpp, la transcription a partir des promoteurs stringents (rrnB (ARNr), pyrB1, rpoD (sigma 70)) est diminuee alors que la transcription des genes de biosynthese est augmentee. Par des techniques de transcription in vitro en presence et en absence d'heparine (competiteur a l'ADN, revelateur de fixation faible) et a differente concentration en sel (a haute concentration empeche les fixations instables), les auteurs ont pu mettre en evidence que la diminution de la transcription a partir des promoteurs stringents etait la consequence d'une importante instabilite du complexe d'initiation.

La stabilite du complexe d'initiation au niveau du promoteur des ARNr etant proportionelle au degre de sur-enroulement de l'ADN, les auteurs ont egalement mesure la demi-vie du complexe d'initiation, mais cette fois en utilisant, comme matrice, de l'ADN sur-enroule correspondant aux 3 promoteurs stringents testes. Le resultat est identique a l'ADN lineaire, bien qu'augmentee la demi-vie du complexe d'initiation des mutants de l'ARNP est nettement inferieure a l'ARNP sauvage.

Les auteurs concluent le papier sur deux points :
1/ Les promoteurs dits stringents semblent partager une caracteristique commune, a savoir que la stabilite du complexe d'initiation est proportionelle au degre de sur-enroulement de l'ADN.
2/ Les mutants isoles sont incapables de former un complexe d'initiation stable, et donc de debuter l'elongation.

Suite a ca ils proposent un modele regroupant ces donnees. (voir figure jointe, meme si c'est nettement plus clair sur le papier directement) :
En croissance rapide, la transcription a partir des promoteurs stringents est importante (95 % de l'activite transcriptionnelle de la cellule). Le mecanisme de transcription par lui meme produisant un sur-enroulement local de l'ADN, les promoteurs stringents s'en trouvent stabilises, et donc d'autant plus fort. Lors d'une reponse stringente induite par l'alarmone ppGpp, le complexe d'initiation se trouve destabilise, ce qui induit une diminution du sur-enroulement local, et donc une destabilisation d'autant plus grande du complexe d'initiation.
La ou le modele devient tres interessant, c'est que les auteurs proposent qu'en croissance rapide, l'ARNP etant a 95% engagee dans les promoteurs stringents, cette derniere est inaccessible pour un autre travail. En revanche, lors d'une reponse stringente, l'ARNP est liberee des promoteurs stringents et peut donc etre redistribuee entre les differents facteurs sigma et les activateurs en tout genre. Cette hypothese etant supportee par la premiere figure de l'article, ou les mutants d'ARNP presentent une diminution de la transcription a partir d'un promoteur stringent et une augmentation de la transcription du promoteur lacZ.
Or, pour que cette theorie soit vraie, il faut que la quantitee d'ARNP dans la cellule soit limitee et finement controllee car dans le cas contraire, une liberation d'ARNP des promoteurs stringents n'aurait aucun effet sur la transcription des autres promoteurs.

Voilà, c'est la fin. J'espere que j'ai ete clair, et tous commentaires/critiques seront les bienvenus.

A+
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[LXR]

Est-ce que cet élégant modèle, montré chez E. coli, a été retrouvé chez d'autres bactéries? D'autres part, comment se produit le surenroulement au niveau des promoteurs chez les bactéries? Si ce surenroulement est provoqué de manière spontanée grâce à la capacité de l'ADN à former des structures secondaires, est-il possible de retrouver ce mécanisme de régulation chez des bactéries thermophiles (si ce n'est pas déjà fait )?

Greg

[gorben]

Salut,

Est-ce que cet élégant modèle, montré chez E. coli, a été retrouvé chez d'autres bactéries?

E. coli est LE modele bacterien pour tout ce qui est recherche fondamentale. A ma connaissance rien n'a ete montre chez les autres especes. Par contre ce que j'aime dans ce modele, c'est qu'il est tres facilement applicable a d'autres. Ce qui est a peu pres sur, c'est que l'ARN polymerase est limitee dans la cellule (et ca c'est probablement vrai pour toutes les especes).
Maintenant, pour que ce modele soit applicable, il faut que la cellule soit capable de croissance rapide (beaucoup d'operons ribosomaux, et un besoin de reponse au stress rapide). A ce moment la, je pense que le modele s'applique bien.
En ce qui concerne les bacteries a croissance lente (par exemple Helicobacter pylori ou Campylobacter que je connais bien), elles ont generalement peu d'operons ribosomaux (1 et 3 respectivement / 7 pour E. coli, 9 pour Bacillus) et l'ARNP est deja distribuee a travers le genome (petit chromosome, peu de regulateurs transcriptionnels, peu de genes, besoin de biosynthese important etc...). A ce moment la, je ne pense pas que le modele s'applique, tout simplement parce qu'il n'y a aucune ARNP a "liberer" des operons ribosomaux.
Interessant aussi, ces bacteries a croissance lente semblent souvent etre depourvues de reponse stringente relA-dependante

D'autres part, comment se produit le surenroulement au niveau des promoteurs chez les bactéries?

Je ne suis pas un specialiste de la topologie au niveau des promoteurs, mais durant la transcription l'ARNP est connue pour generer pas mal de supertours, en amont et en aval de direction opposee (me rappelle plus le sens desole). L'initiation de la transcription induit egalement des supertours.

Si ce surenroulement est provoqué de manière spontanée grâce à la capacité de l'ADN à former des structures secondaires, est-il possible de retrouver ce mécanisme de régulation chez des bactéries thermophiles (si ce n'est pas déjà fait )?

Ce qui est important, c'est que les promoteurs des ARNr sont "exceptionnels". De memoire, il me semble qu'un promoteur Ptac (promoteur dit "fort") a une activite environ 100 a 1000 fois inferieure a celui d'un ARNr. Ces promoteurs regules par le superenroulement sont donc un peu a part. Je ne sais pas si certaines thermophiles ont ce genre de promoteurs. De plus, a mon avis ce systeme de regulation montre bien un besoin d'adaptation extreme et rapide qu'E. coli est capable de faire, je ne suis pas sur qu'une thermophile soit aussi bien adaptee aux changement qu'une E. coli.
Pourquoi la question specifique des thermophiles?

A+

[LXR]

La question des thermophiles était posée dans le sens où le superenroulement est causé par la formation de structures secondaires de l'ADN. Si une structure particulière du promoteur est nécessaire pour déstabiliser le complexe, les bactéries thermophiles ne peuvent peut-être pas se permettre d'avoir un tel mécanisme de régulation de l'expression, étant donné qu'à haute température, les affinités d'hybridation de motifs de l'ADN sont plus faibles. Néanmoins, un changement du pourcentage en GC au niveau de ces promoteurs a pu éventuellement régler le problème chez ces bactéries, si elles utilisent ce système.

Greg

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