Les R-loops et leurs conséquences sur l'expression génique chez Escherichia coli.

Des variations importantes du surenroulement de l’ADN peuvent être générées durant la phase d’élongation de la transcription selon le modèle du « twin supercoiled domain ». Selon ce modèle, le déplacement du complexe de transcription génère du surenroulement positif à l’avant, et du surenroulement négatif à l’arrière de l’ARN polymérase. Le rôle essentiel de la topoisomérase I chez Escherichia coli est de prévenir l’accumulation de ce surenroulement négatif générée durant la transcription. En absence de topoisomérase I, l’accumulation de ce surenroulement négatif favorise la formation de R-loops qui ont pour conséquence d’inhiber la croissance bactérienne. Les R-loops sont des hybrides ARN-ADN qui se forment entre l’ARN nouvellement synthétisé et le simple brin d’ADN complémentaire. Dans les cellules déficientes en topoisomérase I, des mutations compensatoires s’accumulent dans les gènes qui codent pour la gyrase, réduisant le niveau de surenroulement négatif du chromosome et favorisant la croissance. Une des ces mutations est une gyrase thermosensible qui s’exprime à 37 °C. La RNase HI, une enzyme qui dégrade la partie ARN d’un R-loop, peut aussi restaurer la croissance en absence de topoisomérase I lorsqu’elle est produite en très grande quantité par rapport à sa concentration physiologique. En présence de topoisomérase I, des R-loops peuvent aussi se former lorsque la RNase HI est inactive. Dans ces souches mutantes, les R-loops induisent la réponse SOS et la réplication constitutive de l’ADN (cSDR). Dans notre étude, nous montrons comment les R-loops formés en absence de topoisomérase I ou RNase HI peuvent affecter négativement la croissance des cellules. Lorsque la topoisomérase I est inactivée, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif conduit à la formation de nombreux R-loops, ce qui déclenche la dégradation de l’ARN synthétisé. Issus de la dégradation de l’ARNm de pleine longueur, des ARNm incomplets et traductibles s’accumulent et causent l’inhibition de la synthèse protéique et de la croissance. Le processus par lequel l’ARN est dégradé n’est pas encore complètement élucidé, mais nos résultats soutiennent fortement que la RNase HI présente en concentration physiologique est responsable de ce phénotype. Chose importante, la RNase E qui est l’endoribonuclease majeure de la cellule n’est pas impliquée dans ce processus, et la dégradation de l’ARN survient avant son action. Nous montrons aussi qu’une corrélation parfaite existe entre la concentration de RNase HI, l’accumulation d’hypersurenroulement négatif et l’inhibition de la croissance bactérienne. Lorsque la RNase HI est en excès, l’accumulation de surenroulement négatif est inhibée et la croissance n’est pas affectée. L’inverse se produit Lorsque la RNase HI est en concentration physiologique. En limitant l’accumulation d’hypersurenroulement négatif, la surproduction de la RNase HI prévient alors la dégradation de l’ARN et permet la croissance. Quand la RNase HI est inactivée en présence de topoisomérase I, les R-loops réduisent le niveau d’expression de nombreux gènes, incluant des gènes de résistance aux stress comme rpoH et grpE. Cette inhibition de l’expression génique n’est pas accompagnée de la dégradation de l’ARN contrairement à ce qui se produit en absence de topoisomérase I. Dans le mutant déficient en RNase HI, la diminution de l’expression génique réduit la concentration cellulaire de différentes protéines, ce qui altère négativement le taux de croissance et affecte dramatiquement la survie des cellules exposées aux stress de hautes températures et oxydatifs. Une inactivation de RecA, le facteur essentiel qui déclenche la réponse SOS et le cSDR, ne restaure pas l’expression génique. Ceci démontre que la réponse SOS et le cSDR ne sont pas impliqués dans l’inhibition de l’expression génique en absence de RNase HI. La croissance bactérienne qui est inhibée en absence de topoisomérase I, reprend lorsque l’excès de surenroulement négatif est éliminé. En absence de RNase HI et de topoisomérase I, le surenroulement négatif est très relaxé. Il semble que la réponse cellulaire suite à la formation de R-loops, soit la relaxation du surenroulement négatif. Selon le même principe, des mutations compensatoires dans la gyrase apparaissent en absence de topoisomérase I et réduisent l’accumulation de surenroulement négatif. Ceci supporte fortement l’idée que le surenroulement négatif joue un rôle primordial dans la formation de R-loop. La régulation du surenroulement négatif de l’ADN est donc une tâche essentielle pour la cellule. Elle favorise notamment l’expression génique optimale durant la croissance et l’exposition aux stress, en limitant la formation de R-loops. La topoisomérase I et la RNase HI jouent un rôle important et complémentaire dans ce processus.

Effet de la RNase HI sur l’expression génique et sur le surenroulement de l’ADN chez Escherichia coli

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Synergy between the N-terminal and C-terminal domains of Mycobacterium tuberculosis HupB is essential for high-affinity binding, DNA supercoiling and inhibition of RecA-promoted strand exchange

The occurrence of DNA architectural proteins containing two functional domains derived from two different architectural proteins is an interesting emerging research theme in the field of nucleoid structure and function. Mycobacterium tuberculosis HupB, unlike Escherichia coli HU, is a two-domain protein that, in the N-terminal region, shows broad sequence homology with bacterial HU. The long C-terminal extension, on the other hand, contains seven PAKK/KAAK motifs, which are characteristic of the histone H1/H5 family of proteins. In this article, we describe several aspects of HupB function, in comparison with its truncated derivatives lacking either the C-terminus or N-terminus. We found that HupB binds a variety of DNA repair and replication intermediates with K(d) values in the nanomolar range. By contrast, the N-terminal fragment of M. tuberculosis HupB (HupB(MtbN)) showed diminished DNA-binding activity, with K(d) values in the micromolar range, and the C-terminal domain was completely devoid of DNA-binding activity. Unlike HupB(MtbN), HupB was able to constrain DNA in negative supercoils and introduce negative superhelical turns into relaxed DNA. Similarly, HupB exerted a robust inhibitory effect on DNA strand exchange promoted by cognate and noncognate RecA proteins, whereas HupB(MtbN), even at a 50-fold molar excess, had no inhibitory effect. Considered together, these results suggest that synergy between the N-terminal and C-terminal domains of HupB is essential for its DNA-binding ability, and to modulate the topological features of DNA, which has implications for processes such as DNA compaction, gene regulation, homologous recombination, and DNA repair.

Autoregulation of topoisomerase I expression by supercoiling sensitive transcription

The opposing catalytic activities of topoisomerase I (TopoI/relaxase) and DNA gyrase (supercoiling enzyme) ensure homeostatic maintenance of bacterial chromosome supercoiling. Earlier studies in Es-cherichia coli suggested that the alteration in DNA supercoiling affects the DNA gyrase and TopoI expression. Although, the role of DNA elements around the promoters were proposed in regulation of gyrase, the molecular mechanism of supercoiling mediated control of TopoI expression is not yet understood. Here, we describe the regulation of TopoI expression from Mycobacterium tuberculosis and Mycobac-terium smegmatis by a mechanism termed Supercoiling Sensitive Transcription (SST). In both the organisms, topoI promoter(s) exhibited reduced activity in response to chromosome relaxation suggesting that SST is intrinsic to topoI promoter(s). We elucidate the role of promoter architecture and high transcriptional activity of upstream genes in topoI regulation. Analysis of the promoter(s) revealed the presence of suboptimal spacing between the -35 and -10 elements, rendering them supercoiling sensitive. Accordingly, upon chromosome relaxation, RNA polymerase occupancy was decreased on the topoI promoter region implicating the role of DNA topology in SST of topoI. We propose that negative supercoiling induced DNA twisting/writhing align the -35 and -10 elements to facilitate the optimal transcription of topoI.

Tightening of DNA knots by supercoiling facilitates their unknotting by type II DNA topoisomerases.

Using numerical simulations, we compare properties of knotted DNA molecules that are either torsionally relaxed or supercoiled. We observe that DNA supercoiling tightens knotted portions of DNA molecules and accentuates the difference in curvature between knotted and unknotted regions. The increased curvature of knotted regions is expected to make them preferential substrates of type IIA topoisomerases because various earlier experiments have concluded that type IIA DNA topoisomerases preferentially interact with highly curved DNA regions. The supercoiling-induced tightening of DNA knots observed here shows that torsional tension in DNA may serve to expose DNA knots to the unknotting action of type IIA topoisomerases, and thus explains how these topoisomerases could maintain a low knotting equilibrium in vivo, even for long DNA molecules.

Equilibrium distributions of topological states in circular DNA: Interplay of supercoiling and knotting

Two variables define the topological state of closed double-stranded DNA: the knot type, K, and ΔLk, the linking number difference from relaxed DNA. The equilibrium distribution of probabilities of these states, P(ΔLk, K), is related to two conditional distributions: P(ΔLk|K), the distribution of ΔLk for a particular K, and P(K|ΔLk) and also to two simple distributions: P(ΔLk), the distribution of ΔLk irrespective of K, and P(K). We explored the relationships between these distributions. P(ΔLk, K), P(ΔLk), and P(K|ΔLk) were calculated from the simulated distributions of P(ΔLk|K) and of P(K). The calculated distributions agreed with previous experimental and theoretical results and greatly advanced on them. Our major focus was on P(K|ΔLk), the distribution of knot types for a particular value of ΔLk, which had not been evaluated previously. We found that unknotted circular DNA is not the most probable state beyond small values of ΔLk. Highly chiral knotted DNA has a lower free energy because it has less torsional deformation. Surprisingly, even at |ΔLk| > 12, only one or two knot types dominate the P(K|ΔLk) distribution despite the huge number of knots of comparable complexity. A large fraction of the knots found belong to the small family of torus knots. The relationship between supercoiling and knotting in vivo is discussed.

Transcription-Coupled DNA Supercoiling in Escherichia Coli: Mechanisms and Biological Functions

Transcription by RNA polymerase can induce the formation of hypernegatively supercoiled DNA both in vivo and in vitro. This phenomenon has been explained by a “twin-supercoiled-domain” model of transcription where a positively supercoiled domain is generated ahead of the RNA polymerase and a negatively supercoiled domain behind it. In E. coli cells, transcription-induced topological change of chromosomal DNA is expected to actively remodel chromosomal structure and greatly influence DNA transactions such as transcription, DNA replication, and recombination. In this study, an IPTG-inducible, two-plasmid system was established to study transcription-coupled DNA supercoiling (TCDS) in E. coli topA strains. By performing topology assays, biological studies, and RT-PCR experiments, TCDS in E. coli topA strains was found to be dependent on promoter strength. Expression of a membrane-insertion protein was not needed for strong promoters, although co-transcriptional synthesis of a polypeptide may be required. More importantly, it was demonstrated that the expression of a membrane-insertion tet gene was not sufficient for the production of hypernegatively supercoiled DNA. These phenomenon can be explained by the “twin-supercoiled-domain” model of transcription where the friction force applied to E. coli RNA polymerase plays a critical role in the generation of hypernegatively supercoiled DNA. Additionally, in order to explore whether TCDS is able to greatly influence a coupled DNA transaction, such as activating a divergently-coupled promoter, an in vivo system was set up to study TCDS and its effects on the supercoiling-sensitive leu-500 promoter. The leu-500 mutation is a single A-to-G point mutation in the -10 region of the promoter controlling the leu operon, and the AT to GC mutation is expected to increase the energy barrier for the formation of a functional transcription open complex. Using luciferase assays and RT-PCR experiments, it was demonstrated that transient TCDS, “confined” within promoter regions, is responsible for activation of the coupled transcription initiation of the leu-500 promoter. Taken together, these results demonstrate that transcription is a major chromosomal remodeling force in E. coli cells.

Large-volume methacrylate monolith for plasmid purification : process engineering approach to synthesis and application

The extent of exothermicity associated with the construction of large-volume methacrylate monolithic columns has somewhat obstructed the realisation of large-scale rapid biomolecule purification especially for plasmid-based products which have proven to herald future trends in biotechnology. A novel synthesis technique via a heat expulsion mechanism was employed to prepare a 40 mL methacrylate monolith with a homogeneous radial pore structure along its thickness. Radial temperature gradient was recorded to be only 1.8 °C. Maximum radial temperature recorded at the centre of the monolith was 62.3 °C, which was only 2.3 °C higher than the actual polymerisation temperature. Pore characterisation of the monolithic polymer showed unimodal pore size distributions at different radial positions with an identical modal pore size of 400 nm. Chromatographic characterisation of the polymer after functionalisation with amino groups displayed a persistent dynamic binding capacity of 15.5 mg of plasmid DNA/mL. The maximum pressure drop recorded was only 0.12 MPa at a flow rate of 10 mL/min. The polymer demonstrated rapid separation ability by fractionating Escherichia coli DH5α-pUC19 clarified lysate in only 3 min after loading. The plasmid sample collected after the fast purification process was tested to be a homogeneous supercoiled plasmid with DNA electrophoresis and restriction analysis.

Towards the design of a scalable and commercially viable technique for plasmid purification using a methacrylate monolithic stationary phase

A monolithic stationary phase was prepared via free radical co-polymerization of ethylene glycol dimethacrylate (EDMA) and glycidyl methacrylate (GMA) with pore diameter tailored specifically for plasmid binding, retention and elution. The polymer was functionalized. with 2-chloro-N,N-diethylethylamine hydrochloride (DEAE-Cl) for anion-exchange purification of plasmid DNA (pDNA) from clarified lysate obtained from E. coli DH5α-pUC19 culture in a ribonuclease/ protease-free environment. Characterization of the monolithic resin showed a porous material, with 68% of the pores existing in the matrix having diameters above 300 nm. The final product isolated from a single-stage 5 min anion-exchange purification was a pure and homogeneous supercoiled (SC) pDNA with no gDNA, RNA and protein contamination as confirmed by ethidium bromide agarose gel electrophoresis (EtBr-AGE), enzyme restriction analysis and sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis. This non-toxic technique is cGMP compatible and highly scalable for production of pDNA on a commercial level.

LacO-LacI interaction in affinity adsorption of plasmid DNA

Current approaches for purifying plasmids from bacterial production systems exploit the physiochemical properties of nucleic acids in non-specific capture systems. In this study, an affinity system for plasmid DNA (pDNA) purification has been developed utilizing the interaction between the lac operon (lacO) sequence contained in the pDNA and a 64mer synthetic peptide representing the DNA-binding domain of the lac repressor protein, LacI. Two plasmids were evaluated, the native pUC19 and pUC19 with dual lacO3/lacOs operators (pUC19lacO3/lacOs), where the lacOs operator is perfectly symmetrical. The DNA-protein affinity interaction was evaluated by surface plasmon resonance using a Biacore system. The affinity capture of DNA in a chromatography system was evaluated using LacI peptide that had been immobilized to Streamline™ adsorbent. The KD-values for double stranded DNA (dsDNA) fragments containing lacO1 and lacO3 and lacOs and lacO3 were 5.7 ± 0.3 × 10 -11 M and 4.1 ± 0.2 × 10-11 M respectively, which compare favorably with literature reports of 5 × 10-10 - 1 × 10-9 M for native laCO1 and 1-1.2 × 10-10 M for lacO1 in a saline buffer. Densitometric analysis of the gel bands from the affinity chromatography run clearly showed a significant preference for capture of the supercoiled fraction from the feed pDNA sample. The results indicate the feasibility of the affinity approach for pDNA capture and purification using native protein-DNA interaction.

Antimycobacterial activities of novel fluoroquinolones

Fifty-one novel 1-(cyclopropyl/2,4-difluorophenyl/t-butyl)-1,4-dihydro-6-fluoro-7-(sub secondary amino)-4-oxoquinoline-3-carboxylic acids were synthesized and evaluated for their antimycobacterial in vitro and in vivo against Mycobacterium tuberculosis H37Rv (MTB), multi-drug resistant Mycobacterium tuberculosis (MDR-TB) and Mycobacterium smegmatis (MC 2) and also tested for the ability to inhibit the supercoiling activity of DNA gyrase from M. smegmatis. Among the synthesized compounds, 7-(3-(diethylcarbamoyl)piperidin-1-yl)-1-cyclopropyl-6-fluoro-1,4-dihydro-4-oxoquinoline-3-carboxylic acid (7I) was found to be the most active compound in vitro with MIC of 0.09 mu M against MTB and MDR-TB respectively. In the in vivo animal model 7I decreased the mycobacterial load in lung and spleen tissues with 2.53- and 4.88-log10 protections respectively at a dose of 50 mg/kg body weight. (C) 2007 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.