Escherichia coli

L’objectif principal de ce projet est de comprendre comment la diversité bactérienne est générée et maintenue, et d’améliorer les connaissances de la dynamique de l’évolution phénotypique et génomique. Cette connaissance est cruciale pour une meilleure compréhension de l’émergence et de l’évolution des microorganismes pathogènes. En effet, de nombreux problèmes rencontrés durant les tentatives de prévention et de contrôle des infections sont dus à la capacité des bactéries à générer une variabilité importante au sein des populations (conduisant par exemple aux résistances aux antibiotiques).

Ce projet de séquençage de génomes utilise des souches « évoluées », isolées de la plus longue stratégie d’évolution expérimentale chez la bactérie Escherichia coli. Un clone d’E. coli B a été utilisé comme ancêtre commun pour fonder douze populations indépendantes (Lenski, 2004). Ces populations ont été propagées à partir de cet ancêtre par transferts journaliers dans le même milieu défini limité en glucose, depuis maintenant plus de 40 000 générations (Lenski et al., 1991 ; Lenski and Travisano, 1994 ; Cooper and Lenski, 2000 ; Philippe et al., 2007). Au cours du temps, les populations ont divergé génétiquement à partir de leur ancêtre et la diversité génétique s’y est accumulée (Papadopoulos et al., 1999). La totalité des populations révèle des augmentations similaires de fitness (la capacité reproductive), ce qui démontre une adaptation considérable. Ceci est basé sur des expériences de compétition dans le même environnement que celui utilisé dans la stratégie d’évolution, et en utilisant des variants de l’ancêtre avec des marqueurs phénotypiques distinctifs (Lenski and Travisano, 1994 ; Cooper and Lenski, 2000). D’autres caractères phénotypiques évoluent également de façon parallèle, comme la taille cellulaire (Lenski et al., 1998), les paramètres de la croissance (Vasi et al., 1994), les capacités cataboliques (Cooper and Lenski, 2000 ; Pelosi et al., 2006), la topologie de l’ADN (Crozat et al., 2005), et l’expression globale des gènes (Cooper et al., 2003).

Une des douze populations révèle un polymorphisme : en effet, deux morphotypes, appelés grand (L) et petit (S) en se basant sur la morphologie de leurs colonies, co-existent par un mécanisme dépendant de leur fréquence (Rozen and Lenski, 2000). Deux paramètres permettent cette co-existence, même si L présente une croissance exponentielle meilleure d’environ 20% par rapport à S. D’une part, L secrète un métabolite qui permet préférentiellement la croissance de S. D’autre part, L révèle une mort cellulaire accrue pendant la phase stationnaire, c’est-à-dire après consommation du glucose, en présence de S. Les morphotypes L et S sont présents depuis au moins la génération 6 000 et ils ont continué à co-exister pendant des dizaines de milliers de générations. De plus, la relation entre les deux morphotypes est dynamique au cours du temps, la fréquence de S oscillant entre environ 10-20% et 50-90% de la population totale. Des analyses par RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism), en utilisant les séquences d’insertion IS pour comprendre l’histoire phylogénétique de L et S, ont démontré que tous les clones S étaient monophylétiques ce qui indique une longue histoire de co-existence avec L (Rozen et al., 2005). De plus, des expériences de compétition, en utilisant des clones de chaque morphotype isolés à différentes générations, indiquent que les deux partenaires ont continué à s’adapter, et leur évolution a contribué à leurs fluctuations au cours du temps. Leur histoire phylogénétique, ainsi que leurs trajectoires évolutives indépendantes, sont des caractéristiques qui remplissent certains critères écologiques de deux espèces asexuées différentes (Cohan, 2002).

Ce projet de séquençage de génomes a pour but d’identifier toutes les mutations responsables de la divergence et de la maintenance des deux morphotypes asexués, et donc de comprendre les mécanismes de la diversification et de la spéciation microbienne. De plus, la population à laquelle L et S appartiennent a évolué un phénotype mutateur, et présente un accroissement d’environ 100 fois du taux de mutation (Sniegowski et al., 1997).

Le génome de trois clones évolués sera séquencé au cours de ce projet au Genoscope : un clone isolé à 2 000 générations donc juste avant l’émergence du polymorphisme, et un clone de chacun des deux morphotypes différents isolé à 40 000 générations, pour appréhender les mécanismes moléculaires de leur divergence et de leur co-existence. Ces séquences de génomes seront comparées à celle du clone ancêtre, déjà disponible grâce à une collaboration entre le Genoscope et le Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB, Dr. Jihyun F. Kim, République de Corée).

Contacts : Valérie Barbe (Genoscope) - Dominique Schneider (Université Joseph Fourier)

Bibliographie

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