Expression Dynamics of a Genetic Regulatory Network: the Lysis/Lysogeny Decision of Bacteriophage Lambda
Dynamique d'Expression d'un Réseau de Régulation Génétique : la Décision Lyse/Lysogénie chez le Bactériophage Lambda
Résumé
Upon infection by the virus Lambda, an E. Coli bacterium can follow either one of two drastically different paths: lysis, where the virus multiplies, kills the host and is released in the environment, or lysogeny, where the viral DNA is integrated in the bacterial chromosome and the host becomes immunized to surinfection. The "decision" between lysis and lysogeny is taken randomly, but the probabilities of following each path depends on the number of viruses infecting the cell at the same time and the physiological state of the bacterium : a small number of viruses per bacterium, a rich medium or cells in exponential growth phase favor the lysis, while the opposite conditions favor the lysogeny. This is made possible by an elegant, compact set of five co-regulated genes, under four promoters, interacting with a few proteins of the host. Stochastic fluctuations in Lambda and host protein numbers, and their control, are thought to play a major role in the decision process. We inserted a pair of genes coding for fluorescent proteins in this Lambda regulation region, that are co-transcribed with a pair of regulating or regulated genes, and trans- formed E. Coli bacteria with this construction cloned in a plasmid. Time-lapse fluorescent microscopy allows us to directly measure the expression dynamics and correlations of the chosen genes. Three constructions, with different pairs of tagged genes, have been made. These measurements are repeated in different conditions, by changing the growth medium and phase of the bacteria, and using plasmids of different copy numbers. We also worked on a computer program first written by P. François and V. Hakim at LPS, that simulates directed evolution of genetic regulatory networks and allows one to design networks having a defined behavior. We have implemented detailed molecular processes, as those encountered during the lysis/lysogeny decision, and will generate net- works that are able to fulfill the same functions as Lambda's (simply put, a biased bistable switch). By comparing their structure and properties with the experimental results, we hope to refine our understanding of this natural genetic regulatory network.
Lors d'une infection par le virus Lambda, une bactérie peut suivre l'une ou l'autre de deux voies très différentes : la lyse, où le virus se multiplie, tue l'hôte et est relâché dans l'environnement, ou la lysogénie, où l'ADN viral est intégré dans le chromosome de l'hôte et celui-ci devient immunisé à une surinfection. La "décision" entre la lyse et la lysogénie est prise aléatoirement, mais les probabilités de suivre chacune des deux voies dépend du nombre de virus infectant la cellule en même temps et de son état physiologique : un faible nombre de virus par bactérie, un milieu riche ou des cellules en phase de croissance exponentielle favorisent la lyse, alors que les conditions opposées favorisent la lysogénie. Cela est rendu possible par un ensemble de cinq gènes, sous quatre promoteurs, interagissant les uns avec les autres et avec des protéines de l'hôte. Des paires de gènes codant pour des protéines fluorescentes ont été insérés dans le génome de Lambda. En mesurant les niveaux de fluorescence de bactéries individuelles, nous pouvons déterminer, au cours de la décision, les taux d'expression de gènes de ce réseau et leurs corrélations deux à deux. En variant systématiquement les conditions de croissance, nous pouvons ainsi obtenir une description riche de la dynamique, notamment du rôle du bruit stochastique et de son contrôle, de ce réseau de régulation naturel. Enfin, nous avons complété un programme informatique développé au laboratoire de façon à pouvoir comparer le réseau de Lambda à des réseaux générés sur ordinateur et ayant le même comportement. Cela aidera à mieux comprendre la structure particulière de ce réseau.
Loading...