De nombreux promoteurs de bactéries et d’archaées travaillent en avant et en arrière -Ecologie, science


CContrairement à ce qui est généralement décrit dans les manuels de biologie, les bactéries et les archées peuvent avoir une transcription dans des directions opposées sur le génome. Cela se produit grâce à des promoteurs bidirectionnels – des séquences d’ADN dans lesquelles les ARN polymérases peuvent sauter et voyager dans un sens ou dans l’autre pour produire des transcrits d’ARNm. De tels promoteurs ne sont pas rares: 19% de tous les sites de début de transcription (TSS) dans Escherichia coli sont associés à un promoteur bidirectionnel, selon une étude publiée le 6 mai dans Microbiologie de la nature.

«Nous avons été vraiment surpris», déclare Emily Warman, co-auteur de l’étude, postdoc en microbiologie moléculaire à l’Université de Birmingham au Royaume-Uni. Alors que des recherches antérieures avaient décrit des promoteurs bidirectionnels chez les eucaryotes, ainsi que dans quelques espèces de bactéries et d’archées, la nouvelle étude établit une transcription divergente – la lecture des gènes dans les deux sens – comme une caractéristique répandue conservée dans les trois domaines de la vie.

Promoteurs bidirectionnels à travers la biologie

Dans les cellules eucaryotes, l’ADN s’enroule autour des protéines histones et est conditionné dans la chromatine. Les tronçons d’ADN qui ne sont pas étroitement enroulés sont accessibles à l’ARN polymérase et à d’autres protéines nécessaires à la transcription. Dans certains cas, ces régions contiennent deux TSS, un sur chaque brin d’ADN, orientés dans des directions opposées; ces TSS peuvent être séparés par des centaines ou des milliers de paires de bases. Les scientifiques ont identifié ces types de promoteurs bidirectionnels dans une variété de cellules eucaryotes, de la levure aux macrophages de souris.

Les bactéries n’ont pas d’histones. Mais certains ont une protéine de structuration nucléoïde de type histone (H-NS), qui se lie à l’ADN et facilite le repliement des chromosomes bactériens. Dans une étude de 2014 publiée dans Gènes et développement, les chercheurs ont constaté que dans E. coli, H-NS supprime les promoteurs captés via le transfert horizontal de gènes, qui est la transmission de matériel génétique entre les organismes en dehors de la reproduction. Curieusement, ils ont noté que de nombreux promoteurs supprimés par H-NS étaient destinés à des ARN non codants et situés au milieu d’autres gènes.

L’un des premiers emplois de Warman lorsqu’elle était doctorante dans le laboratoire de David Grainger à Birmingham a été de caractériser l’activité de ces promoteurs en les insérant devant un gène rapporteur dans un plasmide et en mesurant l’expression génique résultante. «Une grande partie des informations dont nous disposions sur ces régions ne nous indiquaient pas dans quelle direction la transcription se déroulerait», dit-elle. «Pour couvrir toutes nos bases, je prenais toutes ces régions et je les mettais dans les deux sens.» De manière surprenante, de nombreux fragments de promoteur ont produit une activité dans l’une ou l’autre orientation, ce qui signifie que le même segment d’ADN pourrait conduire la transcription dans les deux sens.

Pour explorer si les promoteurs bidirectionnels étaient courants dans E. coli génome, l’équipe a analysé les ensembles de données précédemment obtenus qui cartographiaient les TSS. Ils ont trouvé 5 292 TSS divergents, séparés de 7 à 25 paires de bases, mais sur des brins d’ADN différents. Ces paires TSS représentaient 19 pour cent de tous les TSS en E. coli. La distance la plus courante entre les sites était de 18 paires de bases – beaucoup plus proche que les distances observées dans les cellules eucaryotes. Cet espacement rapproché positionne les éléments promoteurs, les séquences d’ADN qui sont essentielles pour le recrutement de l’ARN polymérase, en face l’une de l’autre sur les deux brins d’ADN. Ainsi, les auteurs proposent, l’ARN polymérase peut attacher la même section d’ADN dans deux orientations différentes et procéder à l’initiation de la transcription dans les deux sens.

Les promoteurs bidirectionnels comprennent deux sites de départ de transcription (TSS) étroitement positionnés, un sur chaque brin d’ADN. Ces sites sont en amont des régions codant pour le gène. Les chercheurs ont constaté que dans E. coli, ces TSS sont généralement séparés par 18 paires de bases, une distance qui place les éléments promoteurs nécessaires au recrutement de l’ARN polymérase en face l’un de l’autre sur les deux brins d’ADN.

Le scientifique Personnel

Ils ont ensuite examiné les TSS de plus d’espèces de bactéries et ont constaté que les paires divergentes étaient abondantes. Chez les protéobactéries et les actinobactéries, les paires de TSS étaient généralement séparées de 18 ou 19 paires de bases. L’équipe a également examiné les cartes TSS publiées précédemment pour deux espèces archéennes et a découvert de nombreuses paires de TSS divergentes.

«La transcription bidirectionnelle est également une caractéristique de la transcription eucaryote, mais surtout, cet article montre que le mécanisme chez les bactéries est différent du mécanisme chez les eucaryotes», explique Seth Darst, biophysicien à l’Université Rockefeller qui n’a pas participé à l’étude. Le scientifique par email.

Dans une étude de 2018 publiée dans Génomique BMC, les chercheurs ont rapporté une découverte similaire dans Pseudomonas aeruginosa, un agent pathogène qui provoque des infections chez les humains. Ils ont trouvé 105 paires de TSS sur des brins opposés, espacées exactement de 18 paires de bases.

«Nous venons de regarder Pseudomonas, et nous les avons trouvés et avons pensé que c’était inhabituel », explique Peter Unrau, biochimiste à l’Université Simon Fraser en Colombie-Britannique et coauteur de l’étude de 2018. « Ils sont apparemment partout dans les bactéries et les archées, donc c’est vraiment cool. »

Régulation génique bidirectionnelle

Les auteurs proposent que les promoteurs bidirectionnels pourraient permettre une régulation coordonnée des gènes fonctionnant dans des directions opposées. Par exemple, les facteurs de transcription qui se lient à une région promotrice pourraient moduler l’expression de deux gènes adjacents simultanément. Ces détails moléculaires de ceci et d’autres formes potentielles de régulation dépendante de l’ARN sont encore des questions ouvertes, dit Unrau.

Dans une étude de 2019 publiée dans Microbiologie de la nature, Shixin Liu, biophysicien à l’Université Rockefeller, et ses collègues ont fait une découverte complémentaire sur la transcription dans E. coli: certains gènes convergents se rejoignant partagent un terminateur de transcription bidirectionnel.

Les bactéries ont des génomes relativement compacts, dit Liu. « Celles-ci [bidirectional elements] semblent être un moyen de coder des fonctions de régulation plus sophistiquées dans leurs petits génomes, de sorte qu’un promoteur puisse contrôler deux gènes divergents, ou qu’un terminateur puisse contrôler simultanément deux gènes convergents. »

La prévalence des promoteurs bidirectionnels pourrait être remarquable pour les applications biotechnologiques, où les scientifiques visent à utiliser des promoteurs efficaces pour générer des produits géniques, dit Warman. « Je pense que c’est juste quelque chose dont toute personne qui s’intéresse à l’expression génétique doit être consciente. »

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