Natural competence for genetic transformation in Staphylococcus aureus - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Natural competence for genetic transformation in Staphylococcus aureus

Compétence naturelle pour la transformation génétique chez Staphylococcus aureus

Shiyuan Feng
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1330692
  • IdRef : 260028622

Résumé

During evolution, the ability of bacteria to adapt to evolving environments often resulted from the acquisition of new genes, and therefore new functions, through Horizontal Gene Transfer (HGT). HGT, defined as the transmission of genetic material between organisms that are not in a parent-offspring relationship, is an important means by which bacteria ensure genomic plasticity. HGT may occur via three main mechanisms: transduction, conjugation and genetic transformation. The latter mechanism ensures the internalization and homologous recombination within the chromosome of high molecular-weight exogenous DNA. Genetic transformation requires that bacterial cells enter a regulated differentiated state called competence. Competence regulation varies considerably among species. Central competence regulatory pathways include dedicated alternative sigma factors, transcription activators and transcription co-regulators. Importantly, expression, stability and activity of these central regulators are highly modulated by a large variety of regulatory cascades. These regulatory pathways trigger competence development in response to diverse environmental and cellular cues ranging from quorum sensing, cellular nutritional status and stressful conditions. Interestingly, despite global similarities between these pathways, competence regulation has probably evolved independently in different species in order to adjust to a large diversity of ecological niches and stimuli. Competence has been thoroughly studied in a number of different bacteria, particularly Bacillus subtilis and Streptococcus pneumoniae. Interestingly, new bacteria displaying such aptitude are often discovered, and one of the latest is the human pathogen, Staphylococcus aureus. During my PhD, the main objective was to characterize the development of competence in a new important model organism in this field, S. aureus. To achieve such objective, my aim was to answer several essential questions: 1) What are the environmental signals sensed by the cells to induce the development of competence in S. aureus? 2) What are the regulatory pathways integrating these signals and transmitting the information to the central competence regulators? 3) What is the exact role of the three potential central competence regulators present in S. aureus: SigH, ComK1 and ComK2? First, through the construction of a S. aureus genomic library in yeast, screened with the yeast two-hybrid technique, I have identified partners of essential proteins involved in competence development and genetic transformation. Then, using a genetic approach and transcriptional analysis techniques (reporter genes and RNA-sequencing), I have particularly shown that: 1) S. aureus can induce competence efficiently thanks to optimized protocols. 2) The three central competence regulators are all important for a complete development of competence. 3) SigH and ComK1 are both essential for the expression of the genes involved in genetic transformation. 4) ComK2 controls the expression of other genes involved in other processes, such as the general stress response, toxin/antitoxin systems and amino acid nuclei acid metabolism. 5) Nutrient limitation/cell density and oxygen availability are two important signals sensed by S. aureus to induce competence. 6) Different oxygen concentrations can activate or inhibit competence through different oxygen-sensing two-component systems. 7) A protein of unknown function, found interacting with ComK2 in Y2H, work alongside ComK2 to inhibit competence under anaerobic conditions.
Pendant l’évolution, la capacité des bactéries à s’adapter à des environnements fluctuants a souvent été le résultat de l’acquisition de nouveaux gènes, et donc de nouvelles fonctions, par Transfer Horizontal de Gènes (THG). Le THG, défini comme la transmission de matériel génétique entre organismes sans lien de parenté, est un moyen important utilisé par les bactéries pour assurer leur plasticité génétique. Ce THG peut être réalisé par trois principaux mécanismes : la transduction, la conjugaison et la transformation génétique (TG). Ce dernier mécanisme assure l’internalisation et la recombinaison homologue dans le chromosome receveur d’importantes quantités d’ADN exogène. La TG nécessite que les cellules basculent dans un état physiologique différencié appelé compétence naturelle (CN). La régulation de la CN varie considérablement d’un organisme à l’autre. Les voies centrales de régulation incluent des facteurs sigma alternatifs, des activateurs transcriptionnels et des co-régulateurs. Il est important de préciser que l’expression, la stabilité et l’activité de ces régulateurs centraux sont largement modulées par un grand nombre de cascades de régulation. Ces voies de régulation induisent le développement de la CN en réponse à divers signaux environnementaux tels que la forte densité cellulaire, le statut nutritionnel de la cellule et des conditions stressantes. Il est intéressant de remarquer que malgré des grandes similarités entre ces mécanismes, la régulation de la CN a probablement évolué de façon indépendante pour chaque espèce dans le but de s’ajuster à un large éventail de niches écologiques et de stimuli. La CN a été très étudiée chez différentes bactéries modèles, telles que Bacillus subtilis et Streptococcus pneumoniae. De nouvelles espèces bactériennes avec de telles aptitudes sont souvent découvertes et l’une des dernières en date n’est autre que le pathogène humain Staphylococcus aureus. Pendant ma thèse, mon principal objectif était de caractériser le développement de la CN chez un nouvel organisme modèle dans le domaine, S. aureus. Pour atteindre un tel objectif, mon but était de répondre à différentes questions : 1) Quels sont les signaux environnementaux perçus par les cellules pour induire le développement de la CN chez S. aureus ? 2) Quelles sont les voies de transduction du signal qui intègrent ces stimuli et transmettent l’information aux régulateurs centraux de la CN ? 3) Quel est le rôle exact des trois potentiels régulateurs centraux de la CN chez S. aureus : SigH, ComK1 et ComK2 ? Tout d’abord, par la construction d’une banque d’ADN génomique de S. aureus dans la levure, criblée par la technique du double hybride, j’ai pu identifier les partenaires de protéines impliquées dans le développement de la CN et de la TG. Ensuite, en utilisant une approche de génétique, associée à des techniques d’analyse de la transcription (gènes rapporteurs et RNA-sequencing), j’ai plus particulièrement démontré que : 1) S. aureus peut induire efficacement la CN grâce à des protocoles optimisés. 2) Les trois régulateurs centraux sont tous essentiels au développement complet de la CN. 3) SigH et ComK1 sont tous les deux essentiels à l’expression des gènes dédiés à la TG. 4) ComK2 contrôle l’expression d’autres gènes impliqués dans d’autres processus tels que la réponse générale au stress, des systèmes toxine/antitoxine et le métabolisme des acides aminés et acides nucléiques. 5) La limitation en nutriment/densité cellulaire et la concentration en oxygène sont des signaux environnements importants perçus par S. aureus pour induire la CN. 6) Différentes concentrations en oxygène peuvent activer ou inhiber le développement de la CN à travers différents systèmes à deux composants. 7) Une protéine de fonction inconnue, interagissant avec ComK2, travaille aux côtés de son partenaire pour inhiber la CN dans des conditions d’anaérobie.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04368867 , version 1 (02-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04368867 , version 1

Citer

Shiyuan Feng. Natural competence for genetic transformation in Staphylococcus aureus. Genetics. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASL095⟩. ⟨tel-04368867⟩
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