Understanding the interactions between RNA degradation and carbon and energy metabolism in Escherichia coli | Comprendre les interactions entre la dégradation des ARN et les métabolismes carboné et énergétique chez Escherichia coli

Inglés. RNA degradation and metabolism in Escherichia coli are long-known and well-characterized processes. RNA degradation is involved in RNA maturation, stable RNA quality control (transfer and ribosomal RNA), messenger RNA renewal as well as in non-coding RNA degradation, actively participating in the control of the regulation of gene expression. Carbon metabolism allows the use of nutrients present in the cellular environment through a cascade of enzymatic reactions in order to produce energy, in the form of ATP (catabolism) which will then be used to produce cellular components (anabolism) and provide maintenance functions, such as mobility. Although the two cellular processes, RNA degradation and metabolism, are extremely well described in the literature, few studies have focused on the systemic interactions that could exist between these two processes. However, more and more studies are reporting specific cases of cross-regulation between the two, suggesting the existence of a general phenomenon of interactions between RNA degradation and metabolism in E. coli.My thesis therefore aimed to better understand the interactions between these two processes. The first part of my work focused on the metabolic role of PAP I-mediated RNA polyadenylation, which impacts RNA degradation by adding poly(A) tails to their 3' end after ATP hydrolysis. We demonstrated for the first time that RNA polyadenylation strongly influences the carbon and energy metabolism of E. coli, by inducing important metabolic rearrangements in several central metabolic pathways. In a second part, we were able to analyze and demonstrate for the first time at the genome scale the negative impact of polyadenylation on the stability of RNAs. We then explored the link between RNA stability and cellular ATP level. This study demonstrated for the first time in E. coli that the stability of RNAs could depend on its energy status and, for certain RNAs, this was linked to the activity of PAP I. In a third part, we tried to slow down the life cycle of RNA, which consumes ATP, to improve bacterial growth. We were thus able to characterize a growth acceleration phenotype following mutations of three ribonucleases, RNases E, II and R, on different carbon sources that are not preferential to growth.In conclusion, this study provided a better understanding of the inter-regulation between RNA degradation and carbon and energy metabolisms of E. coli, and opened up many avenues for bacterial engineering for applications in biotechnology.

Francés. La dégradation des ARN et le métabolisme de Escherichia coli sont des processus connus de longue date et bien caractérisés. La dégradation des ARN est impliquée dans la maturation des ARN, le contrôle qualité des ARN stables (ARN de transfert et ribosomiques), le renouvellement des ARN messagers ainsi que dans la dégradation des ARN non codants, participant activement au contrôle de la régulation de l’expression génique. Le métabolisme carboné permet l’utilisation des nutriments présents dans l’environnement cellulaire par le biais de cascade de réactions enzymatiques afin de produire de l’énergie, sous forme d’ATP (catabolisme) qui sera ensuite utilisée pour produire des composants cellulaires (anabolisme) ou assurer les fonctions de maintenance, telles que la mobilité. Bien que les deux processus cellulaires, dégradation des ARN et métabolisme, soient extrêmement bien décrits dans la littérature, peu d’études se sont penchées sur les interactions systémiques qui pourraient exister entre ces deux processus. Pourtant, de plus en plus d’études font état de cas particuliers de régulations croisées entre les deux, suggérant l’existence les phénomènes généraux d’interactions entre la dégradation des ARN et le métabolisme chez E. coli.Mon travail de thèse visait donc à mieux comprendre les interactions entre ces deux processus. La première partie de mon travail a porté sur le rôle métabolique de la polyadénylation des ARN médiée par PAP I, qui impacte la dégradation des ARN en ajoutant des queues poly(A) à leur extrémité 3’ après hydrolyse de l’ATP. Nous avons pu mettre en évidence pour la première fois que la polyadénylation influence fortement le métabolisme carboné et énergétique de E. coli, en induisant des réarrangements métaboliques importants dans plusieurs voies métaboliques centrales. Dans une deuxième partie, nous avons pu analyser et démontrer pour la première fois à l’échelle du génome l’impact négatif de la polyadénylation sur la stabilité des ARNs. Nous avons ensuite exploré le lien entre la stabilité des ARN et le niveau d’ATP cellulaire. Cette étude a permis de mettre en évidence pour la première fois chez E. coli que la stabilité des ARN pouvait dépendre de son statut énergétique, et pour certains ARN ceci était en lien avec l’activité de PAP I. Dans une troisième partie, nous avons essayé de ralentir le cycle de vie des ARN, très consommateur en ATP pour améliorer la croissance bactérienne. Nous avons ainsi pu caractériser un phénotype d’accélération de croissance suite aux mutations de trois ribonucléases, les RNases E, II et R, sur différentes sources de carbone non préférentielles à la croissance.En conclusion, cette étude a permis de mieux appréhender les phénomènes d’inter-régulations entre la dégradation des ARN et les métabolismes carboné et énergétique de E. coli, et ouvre de nombreuses pistes d’ingénierie bactérienne pour des applications en biotechnologies.