The initiation of chromosomal replication must be tightly regulated so that the genome is replicated only once per cell cycle. In most bacteria, DnaA binds to the origin of replication and initiates chromosomal replication. DnaA is a dual-function protein that also acts as an important transcription factor that regulates the expression of many genes in bacteria. Thus, understanding how this protein is regulated during the bacterial cell cycle is of major importance. The α-proteobacterium Caulobacter crescentus is an excellent model to study the bacterial cell cycle, mainly because it is possible to isolate synchronized cell cultures and because it initiates the replication of its chromosome once per cell cycle and at a specific time of the cell cycle. This latest feature is of special interest for the major aim of my thesis work, which focused on the temporal and spatial regulation of the activity of the essential DnaA protein in C. crescentus. In Escherichia coli, the Hda protein converts ATP-DnaA into ADP- DnaA by stimulating the ATPase activity of DnaA, to prevent over-initiation of chromosome replication. We propose that there exists a similar mechanism in C. crescentus, which is not only involved in the temporal control of chromosome replication, but also in the control of gene expression.
First, we provided evidences indicating that the hydrolysis of the ATP bound to DnaA is essential for the viability of C. crescentus. Our results suggest that ATP-DnaA promotes the initiation of chromosome replication, since we found that cells over-expressing a DnaA protein with a mutated ATPase domain, DnaA(R357A), over-initiated chromosome replication, unlike cells expressing the wild-type DnaA protein at similar levels. By contrast, the DnaA(R357A) protein was less active than DnaA in promoting the transcription of three essential genes, suggesting that these may be more efficiently activated by ADP-DnaA than ATP-DnaA. We propose that the ATP-DnaA to ADP-DnaA switch down-regulates the initiation of DNA replication while activating the transcription of several essential genes involved in subsequent cell cycle events.
Second, we studied the role of the HdaA protein, homologous to Hda, in promoting the ATP- DnaA to ADP-DnaA switch in C. crescentus. HdaA is essential for viability and its depletion in the cell leads to an over-replication of the chromosome, indicating that HdaA is a negative regulator of DNA replication. HdaA dynamically co-localizes with the replisome. In this work, we identified DnaN, the β-clamp of the DNA polymerase, as the replisome component that interacts directly with HdaA and that recruits HdaA to the replisome in live C. crescentus cells. We also showed that a mutant HdaA protein that cannot interact or co-localize with DnaN is not functional, indicating that HdaA is probably activated by DnaN. However, we found that another non-functional HdaA protein, mutated in the conserved Arginine finger of its AAA+ domain, was able to localize at the replisome, suggesting that the AAA+ domain of HdaA exerts its essential function after the recruitment of HdaA to the replisome. We propose that HdaA stimulates the ATPase activity of DnaA once DNA replication is ongoing, via its interaction with DnaN and the activity of the two conserved R fingers of DnaA and HdaA. Finally, we created different strains in which HdaA, DnaN or DnaA were over-produced. We observed that the over-production of HdaA seems to lead to a delay in chromosome replication, while the over-production of DnaN had an opposite effect. Our results also indicate that the over-production of DnaA may intensify the over-initiation phenotype of cells depleted for HdaA. We conclude that the dynamic interplay of HdaA and DnaN in the cell contributes to regulating the ATP-DnaA/ADP-DnaA ratio in the cell, to ensure once per cell cycle initiation of chromosomal replication in C. crescentus.
Altogether, our work provided important information on the regulation of the activity of DnaA in C. crescentus. Since DnaA, HdaA and DnaN are well-conserved proteins, most of our findings are useful to understand how chromosome replication and gene expression are controlled by DnaA in many other bacterial species.
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L'initiation de la réplication des chromosomes doit être précisément régulée de telle sorte que le génome ne soit répliqué qu'une seule fois par cycle cellulaire. Chez la plupart des bactéries, DnaA se lie à l'origine de réplication du chromosome et en initie sa réplication. DnaA est aussi un facteur de transcription qui régule l'expression de nombreux gènes bactériens. De ce fait, il est très important de comprendre comment DnaA est régulée au cours du cycle cellulaire bactérien. L'a-protéobactérie Caulobacter crescentus est un excellent modèle pour étudier le cycle cellulaire bactérien, essentiellement parce qu'il est aisé d'isoler des populations de cellules synchronisées à la même étape du cycle cellulaire et parce que cette bactérie n'initie la réplication de son chromosome qu'une seule fois et à un moment précis de son cycle. Cette dernière caractéristique est particulièrement pertinente pour l'objectif de mon travail doctoral, qui consistait à comprendre comment l'activité de la protéine essentielle DnaA est régulée dans l'espace et dans le temps chez C. crescentus. Chez Escherichia coli, la protéine Hda convertie DnaA-ATP en DnaA-ADP en stimulant l'activité ATPasique de DnaA, ce qui empêche la sur-initiation de la réplication du chromosome. Nous proposons qu'un mécanisme similaire existe chez C. crescentus. Il serait non seulement nécessaire au contrôle de la réplication du chromosome, mais aussi au contrôle de l'expression de certains gènes.
Dans un premier temps, nous avons mis en évidence le fait que l'hydrolyse de l'ATP lié à DnaA est un processus essentiel à la viabilité de C. crescentus. Nos résultats suggèrent que DnaA-ATP initie la réplication du chromosome, comme nous avons observé que des cellules qui sur-expriment une protéine DnaA(R357A) mutée sans domaine ATPasique fonctionnel, sur-initie la réplication de leur chromosome, contrairement aux cellules qui sur-expriment la protéine DnaA sauvage à des niveaux équivalents. Au contraire, la protéine DnaA(R357A) était moins active que la protéine DnaA sauvage pour promouvoir la transcription de trois gènes essentiels, ce qui suggère que ces derniers sont peut-être plus efficacement activés par DnaA-ADP que DnaA-ATP. Nous proposons que la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP réprime l'initiation de la réplication, tandis qu'elle active la transcription de plusieurs gènes impliqués dans des étapes plus tardives du cycle cellulaire.
Dans un deuxième temps, nous avons étudié le rôle de la protéine HdaA, homologue à Hda, dans la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP chez C. crescentus. Cette protéine est essentielle à la viabilité de C. crescentus et sa déplétion donne des cellules qui sur-initient la réplication de leur chromosome, suggérant que HdaA est un répresseur de la réplication du chromosome. HdaA co-localise de manière dynamique avec le réplisome. Lors de mon travail doctoral, nous avons démontré que DnaN, le β-clamp de l'ADN polymérase, est l'élément qui recrute HdaA au réplisome in vivo. Nous avons aussi montré qu'une protéine HdaA mutante qui ne peut pas interagir ou co-localiser avec DnaN, n'est pas fonctionnelle, ce qui suggère que HdaA est activée par DnaN. Nous avons néanmoins aussi isolé une autre protéine HdaA non fonctionnelle, dont une arginine conservée de son domaine AAA+ était mutée, mais qui pouvait toujours co-localiser avec le réplisome, ce qui suggère que le domaine AAA+ de HdaA est nécessaire après le recrutement de HdaA au réplisome. Nous proposons que HdaA stimule l'activité ATPasique de DnaA qu'une fois que la réplication a commencé, grâce à son interaction avec DnaN et aux deux arginines conservées des protéines HdaA et DnaA. Finalement, nous avons construit différentes souches sur-exprimant HdaA, DnaN ou DnaA. Nous avons observé que la sur-production de HdaA retarde la réplication du chromosome, tandis que la sur-production de DnaN a un effet opposé. Nos observations suggèrent aussi que la sur-expression de DnaA dans des cellules déplétées pour HdaA aggrave leur phénotype de sur-initiation. Nous en concluons que HdaA et DnaN collaborent étroitement et de manière dynamique pour réguler le rapport DnaA-ATP/DnaA-ADP dans la cellule, pour s'assurer que
la réplication du chromosome ne soit initiée qu'une seule fois par cycle cellulaire chez C. crescentus.
Globalement, notre travail a mis en évidence des informations importantes sur la régulation de l'activité de DnaA chez C. crescentus. Comme DnaA, HdaA et DnaN sont des protéines très conservées, la plupart de nos découvertes sont utiles pour mieux comprendre comment la réplication du chromosome bactérien et l'expression des gènes sont contrôlées par DnaA chez de nombreuses autres espèces bactériennes.