Comment les bactéries s'adaptent aux changements de température

Les bactéries peuvent changer la façon dont elles expriment leurs gènes pour s'adapter à différents environnements. Ce truc est super important pour leur survie. La plupart des études sur ce mécanisme de régulation des gènes se sont concentrées sur des organismes modèles comme Escherichia coli (E. coli). Mais, à quel point ce qu'on apprend d'E. coli s'applique aux autres bactéries proches dépend de leur similitude. Les bactéries obtiennent souvent de nouveaux gènes grâce à un truc appelé Transfert Horizontal de Gènes (HGT), ce qui peut entraîner des différences significatives dans l'expression des gènes face aux changements environnementaux.

#Changements de Température et Réponse Bactérienne

Un des plus gros défis pour les bactéries, c'est les changements de température. Quand la température baisse, la structure de leurs membranes cellulaires peut devenir rigide, les protéines et les ARN peuvent mal se plier, et des machineries cellulaires essentielles comme les ribosomes peuvent mal fonctionner. Une température plus basse peut signifier que les bactéries passent d'un environnement chaud à un extérieur plus frais.

Pas mal de recherches ont été faites sur comment E. coli gère les basses températures. Plusieurs facteurs régulateurs, comme les protéines de choc froid et des enzymes spécifiques, ont été identifiés comme étant importants pour gérer cette réponse. Quand on déplace E. coli de 37°C à une température plus basse comme 23°C, on voit des changements significatifs dans l'expression des gènes, touchant environ 10% de son génome. Certains de ces régulateurs globaux de l'expression génique, comme RpoS et H-NS, sont cruciaux pour la façon dont E. coli gère les variations de température.

#Réponses dans des Espèces Connues

La réaction des bactéries liées à E. coli, surtout celles de la famille des Enterobacteriaceae, face aux changements de température est pas trop étudiée. Cette famille regroupe diverses bactéries qui prospèrent dans différents environnements de température, y compris celles trouvées chez les hôtes à sang chaud ainsi qu'en sol, dans l'eau et sur les plantes. Étant donné que ces bactéries subissent souvent des variations de température, il est essentiel de comprendre leurs réponses régulatrices.

Bien qu'on ait une certaine connaissance d'E. coli, on sait très peu de choses sur la façon dont la régulation des gènes change dans différentes espèces, notamment sur la vitesse à laquelle ces changements se produisent. Deux aspects clés influencent la régulation des gènes : les gènes spécifiques présents dans chaque espèce et la manière dont ces gènes sont régulés. Comprendre l'équilibre entre ces facteurs est essentiel pour avoir une vue complète de l'évolution bactérienne.

#Aperçu de l'Étude

Dans cette étude, on a examiné cinq espèces de la famille des Enterobacteriaceae et une espèce étroitement liée pour voir comment elles réagissaient à une chute de température de 37°C à 15°C. Ce scénario imite les bactéries quittant un hôte chaud pour un environnement plus frais. On a utilisé des outils génomiques pour identifier des gènes similaires entre les espèces et mesuré les modèles d'expression des gènes en utilisant le Séquençage d'ARN pour comprendre comment ces espèces s'adaptent aux changements de température.

#Contenu Génétique et Phylogénie

On a sélectionné six souches bactériennes pour cette étude : E. coli K-12, Salmonella enterica, Citrobacter rodentium, Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumoniae et Serratia marcescens. Ces espèces ont des génomes qui contiennent entre 3968 et 4709 gènes codant des protéines. En utilisant un outil appelé xenoGI, on a pu analyser l'histoire évolutive de ces génomes et catégoriser leurs gènes en groupes basés sur des similarités.

#Gènes Partagés et Uniques

Un point clé était qu'il y a des gènes partagés entre toutes les espèces étudiées, ainsi que des gènes uniques à chaque espèce. On a identifié 1838 gènes comme le Génome de base, qui est essentiel pour les six bactéries. Ce génome de base représente environ 39% à 46% du total des gènes de chaque espèce. D'un autre côté, les gènes spécifiques à chaque espèce variaient de 981 à 1872, représentant environ 24% à 47% du total des gènes.

#Réaction au Changement de Température

Pour examiner comment ces espèces ont réagi à la chute de température, on les a cultivées à 37°C puis déplacées à 15°C. Toutes les espèces sont d'abord entrées dans une phase de latence mais ont repris leur croissance dans les trois heures. On a récolté des échantillons pour le séquençage d'ARN avant et après le changement de température afin de mesurer les changements dans l'expression des gènes.

#Résultats du Séquençage d'ARN

Après avoir analysé les données de séquençage d'ARN, on a trouvé entre 626 et 1057 Gènes exprimés différemment (DE) entre les espèces après le changement de température. Ça représente 14% à 26% de tous les gènes dans chaque génome. Cependant, on a remarqué un manque de cohérence quant aux gènes spécifiques exprimés différemment entre les espèces. Chaque espèce avait de nombreux gènes DE uniques, et seulement un petit nombre de gènes étaient DE dans toutes les espèces examinées.

#Modèles d'Expression Différentielle

Les différences observées dans l'expression des gènes suite à la chute de température étaient principalement dues à des modèles spécifiques à chaque espèce. Bien que les gènes spécifiques aux espèces aient contribué à la diversité des gènes exprimés différemment, ce sont les gènes de base partagés qui étaient plus susceptibles d'être exprimés différemment.

#Analyse Fonctionnelle des Gènes Exprimés Différemment

Pour donner un sens aux gènes DE, on a examiné leurs fonctions en utilisant un système connu sous le nom d'Ontology des Gènes (GO) pour voir quels rôles jouaient ces gènes. Bien que certaines catégories fonctionnelles, comme le métabolisme du fer, aient été enrichies dans plusieurs espèces, la majorité des termes GO étaient seulement enrichis dans des espèces uniques.

#Métabolisme du Fer

Un domaine où on a vu un certain chevauchement était dans les gènes liés à l'acquisition et à l'utilisation du fer. Comme le fer est souvent rare dans les environnements hôtes, beaucoup de bactéries ont développé des stratégies pour le récupérer, et plusieurs espèces dans notre étude ont montré une régulation à la baisse similaire de ces gènes en réponse à la baisse de température.

#Réponses Spécifiques aux Espèces

Bien qu'on ait trouvé quelques similitudes dans les réponses, une portion significative des termes GO était unique à chaque espèce. Par exemple, les gènes liés à l'assemblage des ribosomes étaient spécifiquement affectés chez E. coli, ce qui suggère que cette espèce a un mécanisme différent pour faire face aux basses températures par rapport aux autres.

#RpoS et Régulation des Gènes

RpoS, une protéine régulatrice importante, joue un rôle significatif dans la façon dont E. coli réagit à des températures plus basses. On a comparé les rôles de RpoS chez E. coli et S. enterica lors de la croissance à 15°C. Malgré le fait que les deux espèces produisent RpoS à des niveaux similaires, les gènes qu'il régule n'étaient pas aussi conservés que prévu. Des gènes spécifiques étaient régulés par RpoS dans seulement l'une des espèces, indiquant une divergence dans les mécanismes de régulation malgré la présence de protéines similaires.

#Conclusion

Dans l'ensemble, notre étude a montré que les bactéries réagissent aux changements de température de 37°C à 15°C en modifiant l'expression de nombreux gènes. Cependant, il y a peu de conservation dans ces réponses, avec des différences découlant principalement de modèles d'expression génique spécifiques aux espèces. Les gènes de base partagés entre les espèces étaient plus susceptibles d'être exprimés différemment que les gènes spécifiques aux espèces.

Ces résultats suggèrent que, bien que le transfert horizontal de gènes soit crucial pour façonner les génomes bactériens, les réponses transcriptionnelles sont plus influencées par les changements évolutifs dans la régulation des gènes partagés. Des recherches futures devraient explorer comment cette divergence se manifeste dans d'autres réponses au stress environnemental et à travers différentes espèces bactériennes pour mieux comprendre l'ensemble des stratégies d'adaptation bactériennes.