III. Impact des IS481 sur la transcriptome de Bordetella pertussis
3. Discussion : Une régulation transcriptomique par les IS481 ?
L’analyse du profil d’expression des séquences d’insertion de Bordetella pertussis a permis de mettre en évidence des prolongements de transcription, s’étendant en dehors des extrémités 5’ et 3’ de ces éléments génétiques mobiles que sont les IS. Ces prolongements proviennent de deux promoteurs portés par les IS, le Pin, permettant la transcription de l’ARN messager de la transposase, et le Pout, permettant la transcription d’un ARN régulateur orienté en antisens de cet ARNm (Case et al., 1988, 1990; Kittle et al., 1989; Ma and Simons, 1990). Dans certains cas, les IS peuvent former de nouveaux promoteurs forts, appelé Phyb, pouvant également impacter sur la transcription des gènes environnants (Prentki et al., 1986).
Les transcrits peuvent s’étendre au-delà des IS et impacter sur la transcription des gènes proches, il a déjà été montré que ces promoteurs pouvaient fournir de nouveaux ARN messagers, notamment pour les gènes katA et bteA (Ciampi et al., 1982; DeShazer et al., 1994; Han et al., 2011; Safi et al., 2004). Notre analyse du transcriptome primaire montre que la transcription de gènes à partir des promoteurs fonctionnels des IS est un phénomène commun, dû à l’important nombre d’IS présent dans le génome de Bordetella pertussis. Un total de 46 gènes serait ainsi co-transcrit avec l’ARN messager de la transposase, dont le gène trpS, codant pour l’ARNt ligase du tryptophane. De la même façon, 70 gènes seraient transcrits par un Pout d’une IS, en plus du gène katA. C’est la cas, par exemple, des gènes bfr, impliqués dans le métabolisme des métaux lourds, et le gène tyrS, codant pour une ARNt ligase de la tyrosine (Grundy and Henkin, 1993; Honarmand Ebrahimi et al., 2015).
L’un des résultats majeurs de cette étude concerne de nouveaux prolongements de transcription encore non documentés à ce jour. Un total de 40 transcrits se prolongeant en région intergénique a pu être dénombré, ces transcrits ont été détectés en tant que nouveaux candidats ARN régulateurs non codant (23 transcrits d’un Pout, 17 transcrits d’un Pin). De plus, les transcrits les plus représentés de cette catégorie sont orientés en
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antisens des gènes environnant, comptabilisant un total de 196 prolongements (150 transcrits d’un Pout, 38 transcrits d’un Pin et 6 transcrits d’un Phyb). Ces derniers pourraient avoir une fonction régulatrice sur les gènes environnant les IS481, similaire à celle des ARN régulateurs indépendants orientés en 3’ des ARN messagers cibles ou à celle des 3’UTR chevauchant d’ARN messagers (Brantl, 2007; Georg and Hess, 2011; Lasa et al., 2012; Thomason and Storz, 2010; Toledo-Arana et al., 2009). Ces derniers pourraient induire la dégradation de l’ARN messager cible par formation d’ARN double brin.
L’impact de ces éléments sur le génome de la bactérie est de plus en plus documenté, le nombre d’IS481 chez Bordetella pertussis implique une diversité génomique importante entre les souches de la même espèce (Brinig et al., 2006; Stibitz and Yang, 1999; Weigand et al., 2017). Les remaniements génomiques sont impliqués dans l’adaptation des pathogènes à leur environnement, mais seraient également impliqués dans la spécificité d’hôte (Safi et al., 2004; Siguier et al., 2015, 2014). Chez Bordetella pertussis, les remaniements génomiques seraient liés à la pression vaccinale pour contrer les défenses induites par le vaccin acellulaire, notamment par inactivation de gènes codant pour des protéines antigènes (Martin et al., 2015; Otsuka et al., 2012; Weigand et al., 2018; Williams et al., 2016; Xu et al., 2015). La localisation et le nombre d’IS481 sur le génome permet la transcription d’ARN messagers et de candidats ARN régulateurs et ces transcrits sont spécifiques d’une souche à l’autre. Les changements d’expression de certains gènes, notamment de gènes de virulence, pourraient s’expliquer par les prolongements de transcription des éléments génétiques mobiles dans une configuration donnée. Par exemple, les variations d’expression de certains gènes de virulence, comme fim3 et fhaB observées chez la souche Bpe280 après seulement 12 passages en culture solide pourraient s’expliquer par les remaniements génomiques ayant entrainé des gains ou pertes de gènes ou encore par des changements au niveau des prolongements de transcription issus des IS qui provoquent une régulation différente (Brinig et al., 2006).
L’activation des IS en général n’est que très peu étudiée, cependant certaines conditions peuvent engendrer une activité plus importante du gène de la transposase. Il a été montré que l’activation des IS pouvait être liée à des facteurs de l’hôte, notamment à des protéines modifiant la topologie de l’ADN comme H-NS, des protéines liées à la réparation de l’ADN comme le système RecA et LexA, des protéines liées à la réplication de l’ADN comme DnaA ou encore les protéines du système de méthylation Dam (Nagy and Chandler, 2004). L’activation des IS par les facteurs intrinsèques de l’hôte impliquent des expositions provoquant des dommages à l’ADN, comme les stress UV ou les variations de températures extrêmes. L’activation des promoteurs Pin et Pout des IS481 pourrait être dépendante d’un stress provoqué chez Bordetella pertussis, notamment lors de la pression vaccinale. Les prolongements de transcription seraient régulés par les différentes configurations topologiques de l’ADN, et non pas par un facteur de transcription. Cette hypothèse est renforcée par les différentes forces des promoteurs Pout des éléments mobiles ISAba1, ISEcp1 et ISAba125, ce qui a été également montré dans notre étude du transcriptome primaire (Figure supplémentaire
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S6) (Amman et al., 2018; Kamruzzaman et al., 2015). L’activation des promoteurs et des prolongements de transcription serait ubiquitaire, et régulée uniquement en condition de stress.
L’important nombre de prolongements de transcription des IS orientés en antisens de gènes pourrait avoir un impact sur l’architecture globale du transcriptome de par leur expression et leur localisation. Les remaniements génomiques sont connus pour changer l’expression globale des gènes, mais également pour former ou interrompre les séquences d’ARN régulateurs (Brinig et al., 2006; Kopf et al., 2015; Raghavan et al., 2015). La formation de candidats ARN régulateurs orientés en antisens de gènes serait une nouvelle preuve de variation du transcriptome régulateur entre différentes souches d’une même espèce. Cette étude peut s’ouvrir également à d’autres espèces procaryotes, plusieurs bactéries possèdent des IS dont des prolongements de transcription ont déjà été observés. Par exemple, la souche pathogène Shigella flexneri 2457T possède dans son génome plus de 30 copies d’IS2 qui peuvent activer l’expression de gènes (Jellen-Ritter and Kern, 2001; Zaghloul et al., 2007).
Les prolongements en antisens des IS pourraient également avoir un double rôle régulateur. Ces ARN sont orientés en antisens de l’ARN messager de la transposase, pour lequel un rôle a déjà été montré, et du gène flanquant (Case et al., 1990). La double régulation potentielle de ces ARN a donc été étudiée à partir d’un ARN candidat, transcrit à partir du Pout de l’IS481 BP1118, retrouvée en aval du gène fim2, dont la protéine est utilisée dans les composants du vaccin acellulaire.
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