Circuits mixtes de régulation

L’expression des ARN régulateurs est le plus souvent contrôlée au niveau transcriptionnel par des facteurs sigma ou des facteurs de transcription (Mandin and Guillier 2013). En retour, ces mêmes facteurs sont la cible de nombreux petits ARN. Ainsi des circuits mixtes de régulation complexes sont générés au sein de la cellule permettant à celle-ci de s’adapter au mieux aux conditions environnementales (Beisel and Storz 2010). Au cours de ma thèse je me suis particulièrement intéressée aux circuits mixtes entre les ARN Hfq-dépendants et régulateurs de systèmes à deux composants. Quelques exemples ont par le passé montré l’interconnexion entre ces deux modes de régulation.

Par exemple, PhoP active l’expression de l’ARN régulateur MgrR (Moon and Gottesman 2009). Par la suite, il a été montré au laboratoire que le système PhoQ-PhoP était ciblé par les deux petits ARN régulateurs MicA et GcvB (Coornaert, Lu et al. 2010; Coornaert, Chiaruttini et al. 2013). Dans ce cas de figure, la régulation est à sens unique entre les différents opérateurs et on parle en général de signal à simple module ou « single-input module » (figure 51A). Des circuits plus complexes ont également pu être mis en évidence. Par exemple, nous avons vu précédemment que le système à deux composants EnvZ-OmpR régulait la transcription des ARN régulateurs MicC et MicF ainsi que la synthèse des porines OmpC et OmpF. De façon intéressante il a pu être montré que le petit ARN MicC réprimait l’expression d’ompC (Chen, Zhang et al. 2004) et que MicF réprimait quant à lui l’expression d’ompF (Delihas and Forst 2001). Nous arrivons donc à un système où une cible se trouve être régulée par un facteur de transcription à la fois de manière

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directe, mais également de manière indirecte, via un ARN régulateur agissant au niveau post- transcriptionnel. On parle alors de « feedfoward loop » (figure 51B) Dans le cadre de cet exemple, la boucle est dite « logique » ou « cohérente » car les régulations ont la même finalité (activation d’ompC et répression d’ompF). Dans un certain nombre de cas comme nous l’avons vu avec l’exemple de sigma E et des ARN MicA, MicL et RybB on peut observer une adaptation au stress initial. On parle dans ce cas de boucle de rétrocontrôle ou « feedback loop » (figure 51C). On observe par exemple une boucle de rétrocontrôle directe entre le petit ARN MicF et le régulateur Lrp chez E. coli (Holmqvist, Unoson et al. 2012). Elle peut aussi être indirecte comme avec sigma E. Pour finir, les différentes régulations peuvent se croiser et former un régulon relativement dense (figure 51D) que l’on retrouve sous le terme « dense overlapping regulon ».

Figure 51 : Différents motifs retrouvés dans les circuits de régulation. A. Dans le cas du « single input motif » la régulation est à sens unique. B. Dans le motif « feedforward loop » un régulateur peut avoir un effet sur sa cible direct mais également indirect en passant par un intermédiaire, ici un petit ARN. C. Dans les « feedback loop » deux élements régulateurs peuvent se contrôler mutuellement de façon directe comme avec MicF et Lrp où indirectement comme dans le cas des petits ARN Sigma E dépendants. D. Le croisement entre ces différents types de régulation aboutit à un circuit complexe où chacun des élements peut réguler et être régulé par divers composants (ARN régulateur, facteur de transcription ou facteur sigma).

Ce type de motifs ainsi que leurs propriétés ont par le passé été décrits pour des réseaux entièrement protéiques (Alon 2007) mais les propriétés des circuits mixtes de régulation sont encore mal comprises à ce jour. Néanmoins différentes études mettent en avant les potentiels avantages et les propriétés uniques des systèmes intégrant des ARN régulateurs.

Tout d’abord, la réduction du coût métabolique des régulations médiées par les ARN a souvent été avancée (Altuvia and Wagner 2000; Shimoni, Friedlander et al. 2007). En effet, l’énergie nécessaire pour transcrire des ARN d’environ 100 nts est bien moins importante que celle dépensée

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93 pour générer des régulateurs protéiques de plusieurs kilodaltons. Cet argument peut cependant être modulé selon l’ARN régulateur et la cible considérée (Beisel and Storz 2010). En effet, dans le cas où un seul ARN régulateur contrôle le niveau de nombreuses cibles différentes, alors qu’il aurait fallu plusieurs régulateurs protéiques pour ces mêmes cibles, l’argument énergétique est tout à fait valable. En revanche, si la cible de l’ARN régulateur est un gène très fortement transcrit, il faudra de nombreuses molécules de régulateurs afin de limiter la traduction de la cible. Dans ce cas précis l’arrêt de la transcription par un facteur protéique est une alternative moins couteuse énergétiquement.

Le second argument avancé en faveur de la régulation par des ARN est que ce type de régulation peut être plus rapide. En effet, comme les ARN régulateurs agissent post-transcriptionellement, il leur faut bien moins de temps pour moduler le niveau de protéine dans la cellule qu’un facteur de transcription (Beisel and Storz 2010). De plus, les petits ARN sont bien souvent dégradés avec leur cible, le retour à l’état initial est ainsi plus rapide qu’avec une protéine régulatrice possédant un temps de demi-vie plus long (figure 52).

Figure 52 : Simulation de vitesse de réponse au stress. Issue de (Romilly 2012).

En plus d’être très rapide, les régulations ARN sont également très sensibles. Il a été suggéré que lorsque ce type de régulation domine cela puisse limiter les variations entre les cellules du fait du « bruit de fond » limité dans ce type de contrôle (Beisel and Storz 2010). Cette proposition se fonde sur le fait qu’en dessous un certain seuil, où le taux de synthèse de l’ARNm cible est bien plus faible que celui de l’ARN régulateur, la répression est totale. Au-delà de ce seuil, fixé par le taux de transcription de l’ARN régulateur, le niveau de la cible augmente de façon linéaire et le bénéfice de cette régulation s’arrête (figure 53). Ce type de régulation donne la possibilité à la cellule de discriminer entre un signal environnemental transitoire ou un signal plus pérènne dont

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le but est d’aboutir à l’expression d’un gène donné. Cette régulation par les petits ARN permet ainsi de suivre plus finement les variations et s’y adapter en conséquence.

Figure 53 : Modèle de régulation basé sur des ARN. Dans le cas de la répression par des ARN, le contrôle maximal est effectif dès le début du signal. Le niveau de transcription de l’ARNm cible doit dépasser celui de l’ARN régulateur pour outrepasser ce contrôle.

Le troisième argument, mettant en avant l’avantage d’une régulation par des ARN est la capacité à aquérir facilement de nouvelles régulations (Gottesman and Storz 2011; Mandin and Guillier 2013). En effet, les ARN sont des molécules qui évoluent plus rapidement et comme la modification de seulement quelques nucléotides peut suffir pour aquérir un nouvel ARNm-cible c’est donc un avantage non négligeable pour un organisme soumis à des variations constantes et parfois brutales de son environnement. Il est intéressant de constater que bien souvent les régulations par des ARN se limitent à un groupe phylogénétique relativement réduit. Par exemple, la présence des Omr se limite essentiellement au groupe des enterobactériacées.

Jusqu’à présent j’ai exposé les avantages des régulations par des ARN par rapport à la régulation protéique. Cependant l’association de ces deux types est également un apport très important des circuits mixtes de régulation.

Comme nous l’avons vu avec l’exemple des « feedforward loop », un régulateur peut par deux voies (directe ou indirecte) agir sur une de ses cibles. Dans certains cas, le circuit est dit « cohérent » et donc quelle que soit la voie empruntée l’issue est la même. En revanche ce n’est pas toujours le cas ! Par exemple, il a été montré qu’OmpR activait directement la transcription de csgD. Cependant OmpR active également la transcription des Omr qui eux inhibent csgD. On comprend aisément qu’un aspect cinétique de régulation voit le jour et les propriétés de ces deux voies de régulation sont sans doute différentes pour coexister. Ce type de motifs a déjà été étudié

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95 pour des circuits uniquement protéiques mais il serait intéressant de déterminer si les propriétés sont différentes lorsque l’on inclut des ARN régulateurs.

Par ailleurs, les régulateurs protéiques et les petits ARN d’un même circuit peuvent répondre à des stimuli cellulaires différents. Ainsi intégrer l’ensemble des stimuli afin de coordonner les différents processus cellulaires est probablement un avantage très important des circuits mixtes. Prenons l’exemple du changement de mode de vie entre des bactéries motiles à la recherche de nutriments et d’autres bactéries s’assemblant en biofilm dans une niche écologique riche. Ces deux styles de vie ne nécessitent pas les mêmes protéines de surface, ni les mêmes dépenses énergétiques. On peut donc penser qu’il soit nécessaire que la synthèse des régulateurs majeurs des biofilms et de la motilité qui sont respectivement codés par csgD et flhD soit finement régulée à la fois par divers facteurs de transcriptions (CRP, OmpR, RcsB …) issus de systèmes à deux composants ou non mais également par de nombreux petits ARN (OmrA, OmrB, McaS …). Ces nombreux niveaux de contrôle répondant chacun à des stimuli différents et avec des cinétiques de réponse diverses permettent ainsi à la cellule de choisir le mode de vie le plus adapté aux conditions environnementales dans lesquelles elle évolue.

Pour finir, dans le cadre de la régulation des systèmes à deux composants, par des ARN régulateurs notamment, il est important de préciser que bien que les ARN puissent affecter le niveau du régulateur, le niveau de la forme active de celui-ci peut ne pas être modulé. C’est ce qui est décrit par la robustesse d’un système. Il est donc possible de moduler un régulateur sans affecter toutes ses cibles. J’ai particulièrement étudié cet aspect dans le cadre de l’étude du système EnvZ-OmpR et sa régulation par les petits ARN OmrA/B.