La dynamique du réplisome et du chromosome bactérien

Les premiers travaux de visualisation des chromosomes de E.coli et B.subtilis montrèrent que certains domaines, comme Ori et Ter ne sont pas localisés de manière aléatoire dans la cellule (Glaser et al., 1997; Gordon et al., 1997) (Niki and Hiraga, 1998; Webb et al., 1998). Malgré certaines divergences quant à la position exacte de ces domaines, ces travaux s’accordent sur la concomitance des processus de réplication et de ségrégation de l’ADN. Les observations microscopiques montrent que le focus représentant l’origine est positionné au centre de la cellule (position ½) et qu’il se scinde en deux foci qui migrent rapidement vers les positions ¼ et ¾ de la cellule (ou aux pôles suivant les études) (Lemon and Grossman, 1998; Li et al., 2002b). L’interprétation des ces données propose que l’ADN nouvellement répliqué, soit pris en charge au centre de la cellule par la machinerie de réplication. La réplication fournirait alors la force nécessaire au déplacement rapide des origines des chromosomes vers les futurs centres des cellules filles. La ségrégation serait donc concomitante et dépendante de la réplication : c’est le modèle d’extrusion (Lemon and Grossman, 2000, 2001).

Figure 39 : Distribution asymétrique des chromosomes d’Escherichia coli dans une cellule sur le point de se diviser.

A : Les fourches de réplication (triangles verts) avancent de manière bi-directionnelle sur le bras gauche (bleu ciel) et droit du chromosome (orange). Dans la cellule, les origines de réplication (cercles blancs) sont positionnées aux futurs centres des cellules filles et les bras des chromosomes néo-synthétisés (bleu : gauche ; rouge : droit) conservent leur positionnement par rapport à l’origine de réplication.

B : la réplication se termine et les bras de chromosome sont distribués ainsi : réplichore gauche-réplichore droit- réplichore gauche-réplichore droit.

(D’après Reyes-Lamothe et al., 2008)

A

La ségrégation des chromosomes bactériens Depuis quelques années ce modèle a été remis en question que ce soit chez E. coli ou B.

subtilis. En effet certaines études montrent que les foci représentant les réplisomes (DnaX-

GFP par exemple) sont initialement positionnés au niveau des origines de réplication, quelque soit la localisation de celles-ci, puis se séparent dans chaque moitié de la cellule, devenant extrêmement dynamiques quelques minutes après l’initiation de la réplication. Pour finir ils se rejoignent et se désassemblent à la fin de la réplication (Bates and Kleckner, 2005; Migocki et

al., 2004; Reyes-Lamothe et al., 2008a; Reyes-Lamothe et al., 2008b). Ces données montrent

que les deux fourches de réplications sont indépendantes de toute structure cellulaire autre que l’ADN qu’elles répliquent. Ce modèle de séparation des réplisomes pourrait expliquer l’organisation du chromosome d’ E.coli proposé par Nielsen et collaborateurs en 2006. La ségrégation du chromosome suivrait l’organisation imposée par la réplication bidirectionnelle. Chaque bras de chromosome ou réplichore occuperait une moitié de la cellule, et cette organisation se maintiendrait au cours de la ségrégation. Dans une cellule sur le point de se diviser, les deux chromosomes répliqués sont positionnés dans les deux futures cellules filles de manière asymétrique : réplichore gauche – réplichore droit – réplichore gauche – réplichore droit (figure 39) (Nielsen et al., 2006a; Nielsen et al., 2006b).

La chorégraphie du chromosome responsable de ce profil a été étudiée par différentes approches et techniques de visualisation (Bates and Kleckner, 2005; Espeli et al., 2008; Nielsen et al., 2006b; Reyes-Lamothe et al., 2008b). Toutes ces études s’accordent sur la distribution asymétrique des différents loci du chromosome et sur la migration rapide des origines comme premier événement de la ségrégation après une période de cohésion. Compte tenu des différents systèmes de visualisations utilisés, du nombre et des régions suivies, il subsiste de fortes divergences concernant la durée de la période de cohésion des Ori. Les modèles proposés se rejoignent sur l’existence d’une longue période de cohésion pour toutes les régions du chromosome après leur réplication, et qui seront ségrégées en même temps pour former les deux nouveaux nucléoïdes des cellules filles (Bates and Kleckner, 2005; Espeli et al., 2008). Selon Espéli et collaborateurs, la durée de la période de cohésion est identique pour les régions Ori, Left et Right (30 minutes) alors que cette durée est deux fois plus importante pour la région Ter et couvre la quasi-totalité du cycle cellulaire. D’après les travaux de Reyes-Lamothe et collaborateurs et de Nielsen et collaborateur, la durée de cohésion est beaucoup plus courte et ne correspond qu’à 20% de la durée du cycle cellulaire. Leur modèle fait état d’une ségrégation progressive des marqueurs après cette courte période de cohésion. Malgré les divergences, la présence d’une période de cohésion est mise en évidence par toutes les approches. Ceci démontre que la seule force de la réplication ne suffit

croissance Phase végétative

Sporulation

asymétrique Endocytose de la préspore_{par la cellule mère}

Formation du cortex cortex Paroi cellulaire Membrane cellulaire Formation d’une « coque » coque

Figure 40 : Les étapes clés du cycle de sporulation de Bacillus subtilis. (D’après Errington 2003)

La ségrégation des chromosomes bactériens pas à fournir l’énergie nécessaire à la ségrégation du chromosome. Cependant la nature du mécanisme permettant la ségrégation asymétrique reste encore à définir et pose la question de l’origine de la force permettant la séparation des chromosomes.

Le modèle de dispersion passive de l’ADN présente l’entropie, stockée puis relâchée par la compaction des futurs nucléoïdes, comme la force de ségrégation passive de l’ADN. Les chromosomes frères, confinés dans le faible volume cellulaire, vont se repousser, aboutissant à leur séparation spontanée (Jun and Mulder, 2006). Ce modèle, bien que séduisant, n’explique pas la migration rapide des origines après la période de cohésion, pour laquelle un processus de ségrégation actif semble nécessaire.