Environmental cues controlling integrative and conjugative element transfer

Le transfert horizontal de gènes (HGT) constitue un mécanisme majeur pour la diversification génomique bactérienne. Parmi les éléments génétiques mobiles qui médiatisent le HGT, les éléments intégratifs et conjugatifs (ICEs) sont quasi ubiquistes et jouent des rôles évolutifs et écologiques essentiels. Les ICEs persistent en s’intégrant dans le chromosome de l’hôte, où ils demeurent largement inactifs et sont hérités verticalement. Lorsqu’ils perçoivent des signaux intracellulaires ou environnementaux spécifiques, ils peuvent s’exciser du chromosome pour former un intermédiaire circulaire, substrat de la conjugaison permettant leur transfert vers une cellule réceptrice. Les ICEs codent un ensemble conservé de gènes nécessaires à leur intégration, excision, régulation et conjugaison, mais possèdent également des régions variables pouvant conférer des phénotypes adaptatifs tels que la résistance aux antimicrobiens, aux phages ou aux métaux lourds, ou la capacité de métaboliser des composés xénobiotiques. Les signaux stimulant leur activation sont parfois liés aux traits qu’ils encodent. ICEclc, le représentant le mieux étudié d’une famille d’ICEs largement répandue, illustre bien cette relation : il permet à ses hôtes de métaboliser le 3-chlorobenzoate (3CBA) et s’active dans 3-5 % des cellules en phase stationnaire après croissance sur ce substrat. L’objectif principal de cette thèse était d’élucider comment les signaux environnementaux déclenchent l’activation des ICEs, en se focalisant sur les éléments de la famille ICEclc. Premièrement, j’ai étudié comment la croissance sur 3CBA influence l’émergence de cellules compétentes pour le transfert (tc) d’ICEclc chez Pseudomonas putida. J’ai posé l’hypothèse que le métabolisme du 3CBA induit non seulement ses gènes cataboliques, mais aussi des changements plus larges qui, dans une fraction de cellules, dépassent les seuils nécessaires à l’activation d’ICEclc. Pour tester cette hypothèse, j’ai comparé les transcriptomes de P. putida cultivées sur 3CBA ou sur succinate et étudié l’effet de mutations perturbant le métabolisme du 3CBA sur l’apparition de cellules tc (Chapitre 2). J’ai également utilisé le single-cell RNA sequencing afin d’identifier les différences entre cellules individuelles cultivées sur 3CBA et d’inférer les états potentiels caractérisant les cellules tc (Chapitre 3). Deuxièmement, j’ai examiné si des ICEs apparentés à ICEclc présents chez Pseudomonas aeruginosa répondent eux aussi à des conditions spécifiques. Les analyses génomiques des isolats cliniques testés ont révélé que la plupart des souches portent un ou plusieurs ICEs apparentés à ICEclc, conservant des homologues des régulateurs centraux de la compétence au transfert, suggérant une logique régulatrice conservée mais une intégration différente dans l’hôte (Chapitre 4). J’ai ensuite testé un ensemble de stress et de composés antimicrobiens pour leur capacité à induire l’excision des ICEs (Chapitre 5).