Growth-rate-dependent protein production in bacteria - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Growth-rate-dependent protein production in bacteria

Impact du taux de croissance sur la production des protéines chez les bactéries.

Résumé

Current theories suggest that translation efficiency (the number of proteins produced by messenger RNA; a gene-specific concept) remains constant as the growth rate varies. However, a constant translation efficiency is incompatible with the weak correlation observed, at the genome scale, between the evolution of the concentration of messenger RNAs and the proteins for which they code as a function of the growth rate.To address this paradox, we have developed a mathematical model of translation based on current knowledge of this process at the molecular level. The exploration of the model's properties led us to conduct transcriptomics, quantitative PCR and Live Cell Array (LCA) experiments, the analysis of which showed that translation efficiency decreases up to 4-fold between low and high growth rates in the model bacterium Bacillussubtilis. Our model revealed that the drop in translation efficiency is based on a drop in the concentration of free ribosomes. To study the consequences of the fall in free ribosomes on protein production, we rationally defined from the mathematical model genetic constructs combining promoters, natural and synthetic, and different translation initiation regions (TIRs) controlling the expression of the gfp gene. Using these genetic constructs, we have shown that protein production is non-linear as a function of free ribosome concentration. Non-linear production leads to differential translation efficiencies of messenger RNAs depending on their TIRs. This mechanism of general protein regulation contributes to the loss of correlation between the concentration of messenger RNAs and the corresponding proteins and led us to revisit Bacterial Molecular Physiology.
Les théories actuelles suggèrent que l'efficacité de traduction (nombre de protéines produitespar ARN messager ; notion spécifique à chaque à gène) reste constante lorsque le taux decroissance varie. Néanmoins, une efficacité de traduction constante est incompatible avec lafaible corrélation observée, à l’échelle du génome, entre l’évolution en fonction du taux decroissance de la concentration des ARN messagers et des protéines pour lesquelles ils codent.Pour faire face à ce paradoxe, nous avons développé un modèle mathématique de la traductionbasé sur les connaissances actuelles de ce processus au niveau moléculaire. L’exploration despropriétés du modèle nous a amené à conduire des expériences de transcriptomique, de PCRquantitative et de Live Cell Array (LCA) dont l’analyse a montré que l'efficacité de traductiondiminue jusqu'à 4 fois entre faible et fort taux de croissance chez la bactérie modèle Bacillussubtilis. Notre modèle a révélé que la chute de l’efficacité de traduction repose sur une chutede la concentration des ribosomes libres. Pour étudier les conséquences de la chute desribosomes libres sur la production des protéines, nous avons rationnellement défini à partir dumodèle mathématique des constructions génétiques combinant des promoteurs, naturel ousynthétique, et différentes régions d'initiation de la traduction (TIRs) contrôlant l’expressiondu gène gfp. En utilisant ces constructions génétiques, nous avons montré que la productiondes protéines est non-linéaire en fonction de la concentration en ribosomes libres. Uneproduction non-linéaire entraine des efficacités de traduction différentielles des ARNmessagers en fonction de leurs TIRs. Ce mécanisme de régulation général des protéinesparticipe à la perte de corrélation entre la concentration des ARN messagers et des protéinescorrespondantes et nous a amené à revisiter la Physiologie Moléculaire Bactérienne.
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Dates et versions

tel-03853024 , version 1 (15-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03853024 , version 1

Citer

Olivier Borkowski. Growth-rate-dependent protein production in bacteria. Molecular biology. Paris 5, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03853024⟩
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