DNA topology as a key-target of selection during a long-term experimental evolution
La superhélicité de l'ADN comme cible clef de l'adaptation au cours de 20000 générations d'évolution expérimentale chez Escherichia coli
Résumé
Molecular mechanisms of bacterial adaptation have been studied by an experimental evolution strategy. Twelve populations have been founded from an ancestor strain of Escherichia coli and daily propagated in a glucose-minimum media for 20,000 generations. During the course of evolution, the fitness of all 12 populations increased by 70%. The aim of this work is to identify beneficial mutations responsible for this increase and to analyze them in order to understand the mechanisms of evolution. Beneficial mutations were found in two genes implicated in DNA supercoiling : fis, encoding a global regulator, and topA, encoding topoisomerase I, the enzyme responsible for DNA relaxation. The evolution is characterized by a high level of phenotypic parallelism : the DNA superhelicity degree increases in almost all populations, and this parallelism is associated to an exceptional level of genetic and molecular parallelism, and achieved through the modification of DNA superhelicity.
Les mécanismes de l'adaptation des bactéries à leur environnement ont été étudiés par une stratégie d'évolution expérimentale. Douze populations, fondées à partir d'une cellule ancêtre d'Escherichia coli, ont évolué indépendamment pendant 20 000 générations par transferts journaliers dans un milieu constant. Au cours de cette évolution, la capacité reproductive des cellules augmente de 70% dans les 12 populations. L'objectif du travail est d'identifier et d'analyser les mutations conduisant à cette adaptation afin de comprendre les mécanismes à la base de l'évolution. Des mutations bénéfiques responsables d'une augmentation parallèle et systématique de la superhélicité de l'ADN ont été identifiées dans deux gènes impliqués dans sa régulation : fis, codant un régulateur global de l'expression des gènes, et topA, codant la topoisomérase I responsable du relâchement de l'ADN. L'évolution de ces populations se caractérise par un degré important de parallélisme phénotypique associé à un fort parallélisme génétique : seuls deux gènes impliqués dans la régulation de la topologie de l'ADN sont les cibles de la sélection naturelle. De plus, les mutations apparues au sein du gène fis, bien qu'affectant la transcription, la traduction, ou la fixation à l'ADN de la protéine Fis, mènent toutes au même résultat : une diminution de l'activité de la protéine. Le parallélisme phénotypique observé s'explique donc par un degré exceptionnel de parallélisme génétique et moléculaire.