Le méli-démélo vital du génome transformé du pneumocoque

La transformation génétique est un processus propre aux bactéries qui leur permet d'internaliser de l'ADN exogène double-brin sous forme simple-brin (sb), puis de l'intégrer à leur génome par recombinaison homologue. Elle est particulièrement efficace chez le pneumocoque pour qui la transformation avec son propre ADN stimule la formation de duplications de son génome. Une équipe du Laboratoire de microbiologie et de génétique moléculaires montre que la formation de ces chromosomes remaniés, appelés 'mérodiploïdes', implique la fusion de deux copies de l'unique chromosome circulaire de la cellule par recombinaison homologue avec l'ADNsb transformant, puis la résolution de ce dimère de chromosome par deux mécanismes distincts de recombinaison de l'ADN. Ces travaux, publiés dans la revue PLoS Genetics, mettent en lumière une interaction essentielle entre les mécanismes de recombinaison dédiés aux étapes précoces de la transformation et ceux de la maintenance du génome pour générer une descendance viable des cellules transformées.


La transformation est une réponse adaptative d'évolution des génomes bactériens. Chez le pneumocoque, qui est l'espèce où elle a été découverte, elle peut promouvoir son évasion vaccinale ou lui permettre de devenir résistant aux antibiotiques. La transformation consiste en l'intégration dans le génome par recombinaison homologue de molécules d'ADN présentes dans le milieu extra-cellulaire et internalisées dans les cellules sous forme simple-brin (sb). Elle est généralement transitoire et inductible. Son développement implique un changement d'état physiologique des cellules, dit de 'compétence', durant lequel plusieurs protéines essentielles de son mécanisme sont spécifiquement produites. Parmi ces protéines se trouvent la recombinase universelle RecA et la protéine DprA, uniquement produite lors de la compétence, dont le rôle est d'assister la polymérisation de RecA sur l'ADNsb et permettre ainsi sa recombinaison avec un duplex d'ADN homologue.

L'acquisition et l'échange de segments d'ADN ne sont pas les seules modifications du génome produites par transformation. Une autre modification particulièrement remarquable est la duplication en tandem de grandes régions du chromosome. Ces duplications sont produites en utilisant comme source d'ADN exogène de l'ADN chromosomique identique à celui de la souche transformée. Un chromosome ainsi remanié est nommé un mérodiploïde, dont la formation chez le pneumocoque a été observée lors d'expériences visant à inactiver un gène essentiel à la croissance cellulaire.

La présence de courtes séquences en répétition directe de part et d'autre des régions dupliquées a guidé la caractérisation du mécanisme de formation de ces mérodiploïdes par 'auto-transformation' chez le pneumocoque. Celui-ci impliquerait un pontage des deux chromatides soeurs néorépliquées du chromosome circulaire de la cellule par une molécule d'ADNsb internalisée porteuse d'une séquence répétée (R) du génome. Cette étape du mécanisme a été démontrée en utilisant un fragment d'ADN donneur formé d'une séquence répétée plusieurs fois sur le génome (ici R1) jouxtée d'une séquence unique A. Ce fragment R1-A peut apparier les deux chromatides néorépliquées, au niveau de sa séquence A avec l'une et de sa séquence R1 avec l'autre ; du fait de sa nature répétée, la liaison de sa séquence R1 peut recombiner avec une autre copie de R située ailleurs sur le chromosome (R2, Figure 1A). La résolution de cette structure aboutit ainsi à un chromosome mérodiploïde pour lequel la région située entre R1 et R2 est dupliquée, et un chromosome plus court avec cette même région délétée (Figure 1B)2. Un intermédiaire clé dans la formation de ces deux chromosomes remaniés serait leur fusion en une seule molécule circulaire, un dimère de chromosome, dont la résolution est obligatoire pour achever le cycle cellulaire et donner naissance à une cellule fille viable porteuse du mérodiploïde.

Les chercheurs se sont ensuite focalisés sur le système de résolution de ces dimères de chromosomes remaniés générés par auto-transformation. La dimérisation des chromosomes circulaires bactériens est un événement qui se produit lors de leur réplication, à la suite d'un événement de recombinaison homologue entre les chromatides soeurs. Les bactéries possèdent un système spécifique de résolution de tels dimères, dont l'homologue chez le pneumocoque est la protéine XerS. Cependant, l'inactivation du gène codant pour XerS n'abolit pas complètement de formation de mérodiploïdes, indiquant l'existence d'un autre mécanisme de résolution des dimères de chromosomes. Celui-ci a été identifié via l'étude de la triade de protéines RecF, RecO et RecR, dont le rôle concerté est de promouvoir la polymérisation de RecA le long de l'ADNsb dans des voies de réparation du génome. L'inactivation de l'une de ces protéines résulte en une faible chute du taux de transformation d'une mutation ponctuelle portée par un ADN chromosomique. Cette diminution de l'efficacité de transformation n'est pas due à une action identique et complémentaire du système RecFOR à celle de DprA sur l'ADNsb internalisé, mais l'implication de RecFOR dans la résolution optimale des dimères de chromosomes générés par transformation. En effet, l'inactivation simultanée de XerS et de RecFOR annule pratiquement l'obtention de mérodiploïdes. Ainsi, cette étude a révélé une interface inédite entre l'appareil de recombinaison de la transformation spécifié par DprA et ceux de la maintenance du génome impliquant XerS et RecFOR, dont l'action est nécessaire pour démêler le génome transformé.

Ces travaux ont aussi démontré que la dimérisation du chromosome se produit à une fréquence très élevée de 30% dans les cellules compétentes auto-transformées, dont la résolution est essentielle à la multiplication cellulaire. La compétence du pneumocoque pour la transformation peut être induite en réponse à de très nombreux stress, dont plusieurs antibiotiques. Puisque les régions dupliquées peuvent évoluer en l'absence de pression de sélection, ces résultats démontrent un potentiel de plasticité génétique et d'adaptation exceptionnel et inattendu chez le pneumocoque en réponse à ces stress.