Study of the system of chromosome dimers resolution in Vibrio cholerae - Implication in the control of the lysogeny of the phage CTXφ coding for choleric toxin
Etude du système de résolution des dimères de chromosome chez Vibrio cholerae - Implication dans le contrôle de la lysogénie du phage CTXφ codant pour la toxine cholérique
Résumé
The majority of the bacteria have a single circular chromosome. At the time of replication, chromosome dimers can be formed by homologous recombination between sister chromatides. Dimerisation of replicating chromosomes prevents the faithful segregation of genetic information between the two daughter cells. To correct this, the tyrosine recombinases, XerC and XerD, resolve dimers by adding an additional crossover at a specific site on the chromosome called dif. In Escherichia coli, the resolution of chromosome dimers is coordinated with cellular division by a septal protein, FtsK. FtsK pumps the DNA of dimers through the division septum until encountering dif, thereby aligning the two sites that the dimer carries. FtsK then activates XerC/D recombination to resolve the dimer into two monomeric chromosomes that can be segregated prior to division.
Vibrio cholerae has two circular chromosomes, each one carrying a unique dif site, dif1 for chromosome I and dif2 for chromosome II. The system of resolution of chromosome dimers must therefore manage a higher degree of complexity to ensure the segregation of two chromosomes. Of additional interest, V. cholerae is the agent responsible for the cholera. The choleric toxin, which causes the potentially deadly diarrheas of cholera, is coded by the temperate phage CTXφ. CTXφ is integrated into the genome of its host dif site by hijacking the activity of XerC and XerD. During my thesis, I was interested in the study of the system of resolution of chromosome dimers in V. cholerae. My goal was to not only understand its role in the normal cellular cycle of this multi-chromosomal bacterium, but also to take account of its contribution to the integration of the phage CTXφ.
Initially, we sought to understand how the phage CTXφ diverts the recombinases XerC/D to integrate itself in the genome of its host. Our work showed that the single-stranded genome of the phage contains a locus that is able to form a secondary structure which reconstitutes a viable dif site. This site is acted upon by the recombinases XerC/D, recombining it with the bacterial dif site. Through this study, we discovered a novel mode of horizontal transfer of DNA.
Secondly, we showed that the resolution of dimers of the two chromosomes of V. cholerae follows the same catalytic pathway, which is controlled by the septal protein FtsK. This is the first example of a common system of maintenance of multiple chromosomes in bacteria. Our results also suggest a synchronization of chromosome dimer resolution in the two replicons and the cellular cycle of the bacterium.
Lastly, in E. coli, the role of DNA translocation by FtsK in the segregation of the chromosomes is apparently limited only to the requirement to control the resolution of chromosomes dimers. In V. cholerae, on the contrary, my work shows a more general role of the function of translocation of FtsK in the segregation of the chromosomes.
La plupart des bactéries ont un unique chromosome circulaire. Lors de la réplication, des dimères de chromosome peuvent se former par crossover entre chromatides sœurs. La dimérisation des chromosomes empêche la ségrégation de l’information génétique entre les deux cellules filles. Pour prévenir cela, les recombinases à tyrosine, XerC et XerD, résolvent les dimères de chromosomes en ajoutant un crossover au niveau d’un site spécifique du chromosome, appelé dif. Chez Escherichia coli, la résolution des dimères de chromosomes est coordonnée à la division cellulaire par une protéine septale, FtsK. FtsK pompe l’ADN chromosomique du dimère au travers du septum de division jusqu’à mise en contact des deux sites dif que le dimère porte, puis FtsK active la recombinaison XerC/D pour résoudre le dimère en deux chromosomes monomériques ségrégeables.
Vibrio cholerae possède deux chromosomes circulaires portant chacun un site dif différent, dif1 pour le chromosome I et dif2 pour le chromosome II. Le système de résolution des dimères de chromosomes doit donc faire face dans cet organisme à un degré de complexité plus élevé pour assurer la ségrégation de deux chromosomes. D’autre part, V. cholerae est l’agent responsable du cholera. La toxine cholérique, qui provoque les diarrhées mortelles du choléra, est codée par le phage tempéré CTXφ. CTXφ s’intègre dans le génome de son hôte au niveau du site dif, en détournant l’action des deux recombinases XerC et XerD de leur fonction de maintenance. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à l’étude du système de résolution des dimères de chromosomes chez V. cholerae à la fois pour comprendre son rôle dans le cycle cellulaire normale de cette bactérie "bi-chromosomique", mais aussi pour comprendre sa contribution à l’intégration du phage CTXφ et donc à l’émergence de nouveaux variants pathogènes.
Dans un premier temps, nous avons cherché à savoir comment le phage CTXφ détourne les recombinases XerC/D pour s’intégrer dans le génome de son hôte. Nos travaux montrent que le génome simple brin du phage possède une région capable de former une structure secondaire reconstituant un site dif, qui est pris en charge par les recombinases XerC/D pour être recombinée avec le site dif bactérien. A travers cette étude, nous avons découvert un nouveau mode de transfert horizontal d’ADN.
Dans un second temps, nous avons montré que la résolution des dimères des deux chromosomes de V. cholerae suit une même voie recombinationnelle, qui est contrôlée par la protéine septale FtsK. Ceci est le premier exemple d’un système commun de maintenance de multiples chromosomes chez les bactéries. Cela suggère aussi une synchronisation de la résolution des dimères des deux chromosomes au cycle cellulaire de la bactérie.
Enfin, chez E. coli, le rôle de translocation de FtsK dans la ségrégation des chromosomes est apparemment limité au seul besoin de contrôler la résolution des dimères de chromosomes. Au contraire, mes travaux montrent un rôle plus général de la fonction de translocation de FtsK dans la ségrégation des chromosomes chez V. cholerae.
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