Regulation of in labo and in situ genome expression of dichloromethane-degrading methylotrophic bacteria
Régulation in labo et in situ de l'expression de génomes de souches bactériennes méthylotrophes dégradant le dichlorométhane
Résumé
Dichloromethane (DCM; CH2Cl2) is a toxic chlorinated pollutant mainly emitted in the environment through industrial activities. Some methylotrophic bacteria that utilize reduced one carbon compounds as sole source of carbon and energy can degrade DCM. The four dcm genes found in the catabolic dcm transposon are highly conserved among DCM-degrading bacteria, including in the Proteobacterium Methylorubrum extorquens DM4. The dcmA gene encodes a DCM dehalogenase of the glutathione-S transferase family which is essential for growth with DCM. The transcriptional factor DcmR regulates the expression of dcmA and its own gene, two genes which are divergently oriented. DcmR consists of a helix-turn-helix domain for DNA fixation and of a domain, called MEDS for ‘methanogen / methylotroph, DcmR sensory’, proposed to bind a hydrocarbon ligand. The aim of my PhD was to address the following questions: i) What is the expression level of dcm transcripts and their corresponding proteins compared to other genes and proteins whose abundance is modulated in response to growth with DCM? ii) How does DcmR regulate the expression of the dcm genes? iii) How variable is dcmR and its genetic environment in situ? Global transcriptomic and proteomic approaches were followed to inventory transcripts and proteins whose abundance varied in the wild-type DM4 strain grown with DCM compared to with methanol, the reference substrate for methylotrophy. The dcm genes were among the most expressed in cultures grown with DCM, confirming their regulation in response to DCM. The identification of transcription start sites (TSS-Seq) and translation starts (N-terminome) allowed the subsequent search for regulation motifs in the promoter and 5’-untranslated terminal regions (5’UTR) of regulated genes in response to DCM utilization. The role of dcmR was studied using growth phenotypes, promoter activities in transcription fusion assays, dcm transcript and corresponding protein product quantification, comparing the wild-type strain with strains mutated only in dcmR, or also in other dcm genes. In absence of DCM, DcmR inhibited the transcription of its own gene and of dcmA. In addition to DcmR, repression requires the expression of one of the other dcm genes by a mechanism that does not involve previously predicted DcmR-binding sites (a 12 bp conserved box shared by dcmR and dcmA promoters). Mutants with impaired dcmR show slower growth with DCM, although no difference in transcript or protein abundance encoded by the dcm transposon was observed. The complete dcmR-dcmA intergenic region was shown to be required to activate dcmA expression. This suggests that regulatory sites present in the intergenic region may be involved in DcmR-independent transcription activation. Taken together, these data allowed to propose a new model of dcm gene regulation. The dcmR gene was detected and quantified in similar amounts as dcmA in DCM-contaminated environmental samples, despite the fact that bioinformatics analysis of sequence databases suggests that dcmR-like genes are not necessary associated with the catabolic dcm transposon. Thus, DcmR may play a role in other contexts. This may provide new leads for future investigations of potential ligands of the MEDS domain.
Le dichlorométhane (DCM ; CH2Cl2) est un polluant chloré toxique émis dans l’environnement principalement par les activités industrielles. Ce polluant peut être dégradé par des bactéries méthylotrophes qui utilisent des composés en C1 réduits comme seule source de carbone et d’énergie. La protéobactérie Methylorubrum extorquens DM4 porte quatre gènes dcm au sein du transposon catabolique dcm très conservé chez les bactéries dégradant le DCM. Le gène dcmA code la DCM déshalogénase de la famille des glutathion-S transférases essentielle à la croissance avec le DCM. Son activité est modulée par DcmR, un facteur de transcription qui régule l’expression de dcmA ainsi que son propre gène, orienté de manière divergente par rapport à dcmA. DcmR porte un domaine hélice-tour-hélice de fixation à l'ADN et un second domaine appelé methanogen / methylotroph, DcmR sensory (MEDS) potentiellement impliqué dans la fixation d’un composé hydrocarboné ligand. Les objectifs de ma thèse étaient de répondre à plusieurs questions : i) quel est le niveau d’expression des transcrits dcm et des protéines correspondantes par rapport à d’autres gènes et protéines dont l’abondance est modifiée en réponse à la croissance sur le DCM ? ii) Comment le facteur de transcription DcmR intervient-il dans la régulation des gènes dcm ? iii) Quelle est la variabilité du gène dcmR et de son environnement génétique in situ ? Des méthodes globales « -omiques » de transcriptomique et de protéomique ont permis d’inventorier les ARN et les protéines dont l’abondance varie chez la souche sauvage DM4 cultivée soit avec le DCM ou le méthanol, le substrat de référence de la méthylotrophie. Les gènes dcm sont parmi les plus exprimés en présence de DCM, ce qui confirme leur régulation en présence de DCM. Deux approches complémentaires ciblant la détermination des sites d’initiation de la transcription (TSS-Seq) et de la traduction (N-terminome) ont permis la recherche de motifs de régulation dans les régions 5’UTR (5’-untranslated terminal region) et les promoteurs de gènes régulés en réponse à la croissance avec le DCM. Le rôle régulateur de dcmR a été étudié en comparant les phénotypes de croissance, l’activité promotrice par fusion transcriptionnelle, la quantification des ARN et des protéines des gènes dcm chez la souche sauvage par rapport à des mutants du gène dcmR seul ou combiné à d’autres gènes dcm mutés. Ces travaux ont permis de confirmer qu’en absence de DCM, DcmR inhibe la transcription de son propre gène ainsi que celle de dcmA. Outre DcmR, la répression nécessite aussi l’expression d’au moins un des autres gènes dcm et ceci par un mécanisme indépendant des boîtes de 12 pb conservées dans les promoteurs des gènes dcmR et dcmA. Lors de la croissance en condition DCM, l’absence du gène dcmR confère une vitesse de croissance ralentie, qui ne résulte pas d’une différence de production des ARN et des protéines codées par le transposon dcm. Pour que l’expression du gène dcmA soit activée, l’ensemble de la région intergénique entre dcmR et dcmA doit être présente, ce qui suggère la présence de sites de régulation pour la fixation d’un facteur de transcription indépendant de DcmR. L’ensemble de ces résultats a permis de proposer un nouveau modèle de régulation des gènes dcm. Alors que le gène dcmR a été détecté en quantité similaire à celle du gène dcmA par qPCR dans des échantillons de sites contaminés par le DCM, une analyse bioinformatique à partir des données de séquences indique que des gènes dcmR-like sont trouvés dans d’autres contextes génétiques que celui du transposon catabolique dcm. Ainsi, DcmR pourrait exercer un rôle de régulateur dans d’autres contextes ouvrant de nouvelles pistes pour l’identification des ligands du domaine MEDS.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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