Laboratoire Jean Perrin, FRE 32/31 UPMC-CNRS Sujet

Laboratoire Jean Perrin, FRE 32/31 UPMC-CNRS
Sujet: Mise en évidence du lien entre taux de division et taille chez la bactérie, effet de mutations
spécifiques.
Directeurs de thèse: Jérôme Robert, HDR et Lydia Robert.
La plupart des bactéries se reproduisent par fission binaire : la cellule bactérienne croit et se
divise en deux cellules de taille identique. Ce cycle de vie très simple repose sur des mécanismes de
contrôle complexes permettant de coordonner croissance, division et réplication du chromosome. Le
cycle cellulaire des bactéries est étudié depuis plus d’un demi-siècle et pourtant la coordination de la
croissance et la division reste une question ouverte [1]. Le processus de division lui-même a été
intensivement étudié, en particulier beaucoup d’études ont porté sur le contrôle de la position du
septum (i.e. comment les cellules trouvent leur milieu pour se diviser) mais la nature du signal
déclenchant la division reste inconnue.
Rôle et régulation de la protéine FtsZ dans la division cellulaire.
La division cellulaire est assurée par la polymérisation de la protéine FtsZ qui crée un anneau
constricteur de la paroi cellulaire lors de la division (appelé anneau Z). Chez les bactéries modèles
Escherichia coli (E. coli) et Bacillus subtilis (B. subtilis), deux mécanismes moléculaires contrôlant la
polymérisation de FtsZ ont été identifiés : le système Min et l’effet de Nucleoid Occlusion (NO) [2,3].
Le système Min repose sur le complexe protéique MinCD, un inhibiteur de la polymérisation de FtsZ
qui se trouve concentré aux pôles de la cellule et est ainsi essentiel pour prévenir les divisions aux
pôles. L’effet NO inhibe la formation de l'anneau Z près du chromosome. En particulier il permet
d’éviter un sectionnement du chromosome par le septum lorsque les nucléoïdes ne sont pas bien
séparés. Les mécanismes moléculaires responsables de l’effet NO ne sont pas encore totalement
élucidés mais chez B. subtilis et E. coli, des protéines s’associant au nucléoïde et exerçant un effet
inhibiteur sur la machinerie de division ont été découvertes. Il s’agit de la protéine Noc chez B.
subtilis et SlmA chez E. coli [4,5].
Le système Min et l’effet NO permettent la localisation de l'anneau Z au milieu de la cellule.
De plus, il est communément supposé que ces systèmes fixent le chronogramme de la division.
Néanmoins, leur rôle relatif reste flou et d’autres mécanismes de contrôle de la formation de
l'anneau Z ont été proposés. De plus, une fois l'anneau Z formé, sa constriction n‘est pas immédiate
et la division pourrait être soumis à des mécanismes de contrôle agissant en aval de la
polymérisation de FtsZ. Le contrôle du déclenchement de la division n’est donc pas encore bien
compris.
La division cellulaire chez les bactéries est déclenchée par la taille.
Nous avons récemment montré qu’indépendamment des processus moléculaires sousjacents, la probabilité instantanée de division d’une cellule bactérienne dépend de sa taille [6]. Les
données expérimentales s'accordent bien avec un modèle théorique dans lequel la taille de la
bactérie est le paramètre déclencheur de la division. Notamment, ce modèle permet une
reconstruction adéquate de la structure âge/taille d'une population d’E. coli et probablement de
toute population de microorganisme dont la croissance est exponentielle. La cellule doit donc
disposer de mécanismes moléculaires permettant une estimation de sa taille et un transfert de cette
information à la machinerie de division.
Les systèmes Min et Nucleoid Inclusion, candidats métreurs de la cellule.
Pour ce projet de thèse nous chercherons à comprendre le rôle des deux systèmes Min et NO
dans le contrôle spatial et temporel de la division. On cherchera en particulier à déterminer si l’un de
ces systèmes permet l’estimation de la taille de la cellule et déclenche la division. On utilisera les
deux organismes modèles E. coli et B. subtilis. Pour ces deux organismes, on utilisera des mutants
dans lesquels l’un des deux systèmes ou les deux systèmes sont supprimés (mutants min, slmA et
min slmA chez E. coli et min, noc et min noc chez B.subtilis) et on suivra par microscopie en temps
réel la croissance de cellules uniques au sein de microcolonies. La formation de l’anneau de ftsZ sera
également suivie en épi-fluorescence grâce à une fusion traductionnelle de la protéine FtsZ avec la
Green Fluorescent Protein. L’analyse des images obtenues permettra une reconstruction de la
distribution jointe âge/taille des populations de bactéries sauvages et mutantes. A partir de ces
données on pourra estimer la dépendance en taille du taux de division et on pourra alors déterminer
si l’un des systèmes moléculaires étudiés (Min et NO) est nécessaire pour mesurer la taille de la
cellule et transférer cette information à la machinerie de division. Les deux systèmes étant connus
pour participer à la précision du positionnement du septum, on cherchera également à estimer
quantitativement de façon précise l’asymétrie de division des mutants.
Ces résultats devraient ainsi permettre de mieux comprendre le rôle respectif des deux mécanismes
moléculaires MinCD et Nucleoid Occlusion dans le contrôle spatial et temporel de la division et sa
coordination avec la croissance.
Références:
1) Wang DJ and Levin PA (2009) Metabolism, cell growth and the bacterial cell cycle. Nature Reviews
Microbiology 7(11):822-827
2) Wu LJ, Errington J (2011) Nucleoid occlusion and bacterial cell division. Nature Reviews
Microbiology 10:8-12.
3) Lutkenhaus J (2007) Assembly dynamics of the bacterial minCDE system and spatial regulation of
the Z ring. Annual Review of Biochemistry 76:539-62.
4) Bernhardt TG, De Boer PAJ (2005) SlmA, a nucleoid-associated, ftsz binding protein required for
blocking septal ring assembly over chromosomes in E. coli. Molecular Cell 18:555-564.
5) Wu LJ, Errington J (2004) Coordination of cell division and chromosome segregation by a nucleoid
occlusion protein in bacillus subtilis. Cell 117:915-925.
6) Robert L et al. (2013) Division control in Escherichia coli is based on a size-sensing rather than
timing mechanism. soumis