Le transfert horizontal de gènes (HGT) permet aux bactéries de s'adapter rapidement à de nouveaux niches écologiques et défis. Ce processus est principalement facilité par les éléments génétiques mobiles (MGE), tels que les bactériophages (phages), les plasmides et les éléments transposables, qui sont présents dans la plupart des génomes, souvent en multiples copies. Le potentiel de conflits découlant des interactions entre les MGE et les bactéries a conduit à l'évolution de mécanismes de défense sophistiqués visant à filtrer, apprivoiser ou inactiver ces éléments. Parmi les exemples bien étudiés d'immunité anti-MGE figurent les systèmes de restriction-modification (R-M), l'infection abortive et les systèmes CRISPR-Cas. Ensemble, ces systèmes ont révolutionné le domaine de l'ingénierie génomique en tant qu'outils de clivage, de stabilisation et d'édition précis, et ont poussé la quête de nouveaux mécanismes de défense ainsi que de stratégies de contre-défense contre les MGE, capables de limiter leur action.
La dernière décennie a vu l'identification et, dans certains cas, la caractérisation mécanistique d'un arsenal étendu de systèmes de défense anti-MGE jusqu'alors inconnus. Ces systèmes peuvent être déployés à différentes étapes du processus d'infection par les MGE, soit en dégradant les acides nucléiques envahissants, en inhibant leur réplication, ou en induisant la dormance ou la mort des cellules infectées pour stopper la propagation de l'élément mobile à travers la population microbienne. Avec le nombre croissant de familles de défensomes identifiées, une découverte parallèle a été celle des systèmes de contre-défense codés par les MGE. Ces contre-défensomes déploient de multiples mécanismes pour inactiver les systèmes immunitaires de l'hôte (au-delà des mutations génétiques des bactériophages), incluant la liaison directe aux protéines immunitaires, la modification post-traductionnelle des protéines immunitaires, la ciblage des messagers secondaires et la contreaction des systèmes de défense épuisant des métabolites.
Beaucoup des systèmes de défense et de contre-défense connus à ce jour ont été découverts grâce à l'exploration bioinformatique des bases de données génomiques de référence (par exemple, NCBI RefSeq). Cependant, celles-ci surreprésentent des organismes qui peuvent être cultivés en laboratoire, offrant ainsi une vue limitée de la fraction inconnue de la diversité microbienne environnementale qui reste non cultivée. Afin de caractériser cette diversité cachée, nous avons récemment effectué un criblage à grande échelle de génomes de populations bactériennes de haute qualité, reconstruits à partir de métagénomes environnementaux, mettant en évidence la diversité des défensomes et le potentiel de coopération fonctionnelle ainsi que la génération de nouvelles fonctions entre différents modules défensifs [1]. Les résultats de cette étude ont soulevé des questions supplémentaires relatives à la nature des conflits et alliances entre les familles de systèmes de défense, l'étendue des stratégies de contre-défense dans le phagome environnemental, ainsi que la perspective de prioriser les gènes de défense 'core' pour le développement d'antimicrobiens capables de cibler une espèce bactérienne entière. Nous proposons d'aborder ces questions dans la proposition actuelle comme suit:

1) Premièrement, l'analyse de la co-occurrence / co-localisation des systèmes de défense et de l'immunité synergique à travers les espèces bactériennes et les biomes ;
2) Deuxièmement, une cartographie à grande échelle du contre-défensome des phagomes à travers plusieurs environnements ;
3) Troisièmement, l'analyse du 'core'-défensome à travers les espèces bactériennes, avec une validation supplémentaire du concept selon lequel ces gènes (dont beaucoup sont maintenant connus pour être essentiels) peuvent être utilisés comme cibles pour le développement d'antimicrobiens visant à éliminer une espèce bactérienne entière.

La méthylation de l'ADN chez les bactéries a été traditionnellement étudiée dans le contexte de la défense antiparasitaire. Cependant, les progrès du séquençage qui permettent l'analyse de la méthylation de l'ADN à l'échelle génomique se développent actuellement et ont propulsé une révolution épigénomique dans notre compréhension de l'étendue et de la pertinence physiologique de la méthylation. Généralement, la première étape de l'étude des impacts fonctionnels de la méthylation de l'ADN bactérien consiste à comparer l'expression globale des gènes entre des souches de type sauvage (WT) et des souches mutantes de méthyltransférase (MTase). Plusieurs études utilisant l'ARN-seq pour de telles comparaisons ont montré que la perturbation d'une seule MTase d'ADN entraîne souvent des dizaines, des centaines et parfois des milliers de gènes différentiellement exprimés (DE). Selon le modèle de compétition locale, la liaison compétitive entre une MTase et d'autres protéines liant l'ADN (par exemple, des facteurs de transcription) sur des sites de motifs spécifiques, affecte la transcription d'un gène voisin, entraînant une variation phénotypique au sein de la population bactérienne. Toutefois, si dans certains cas les effets régulateurs des MTases peuvent être attribués de manière concluante à la méthylation au niveau des promoteurs des gènes cibles, la grande majorité (>90%) des gènes DE n'ont pas de sites méthylés dans leurs régions promotrices, ce qui implique que les MTases ne sont pas des agents de régulation de la transcription, et que le modèle de compétition locale ne s'applique pas à la plupart des gènes DE. Une autre possibilité est que l'état de méthylation des motifs individuels régule l'expression d'un facteur de transcription, provoquant un large changement en aval dans l'expression de ses gènes cibles. Cependant, cette dernière hypothèse n'est pas suffisamment explicative pour un si grand nombre de gènes DE. Une hypothèse alternative concerne l'effet de la méthylation de l'ADN sur la topologie des chromosomes, en induisant des changements structurels qui modifient le répertoire des gènes exposés à la machinerie transcriptionnelle cellulaire. Nous avons récemment identifié CamA, une MTase core de Clostridioides difficile méthylant CAAAAA, qui joue un rôle dans la formation du biofilm, la sporulation et la transmission in vivo. De plus, dans une analyse ultérieure à grande échelle, nous avons découvert que CamA n'était que la partie émergée de l'iceberg, avec 45 % des espèces bactériennes de Genbank contenant au moins une MTase core ou quasi core, ce qui montre que ces dernières sont abondantes et suggère que leurs modifications épigénétiques sont également importantes pour les bactéries. En outre, des analogues de la S-adénosyl-l-méthionine (SAM) ont réussi à inhiber CamA, ce qui représente une première étape importante dans la création de thérapeutiques puissantes et sélectives ciblées sur l'épigénétique qui peuvent être exploitées comme nouveaux antimicrobiens.
Dans cette proposition de projet de doctorat, le candidat retenu est invité à déchiffrer l'interaction entre la méthylation bactérienne, l'organisation spatiale du génome et l'expression des gènes en répondant aux questions suivantes : i) la méthylation modifie-t-elle les domaines d'interaction chromosomique ? ii) les gènes DE et/ou les motifs de méthylation cibles sont-ils enrichis dans les limites des domaines d'interaction chromosomique modifiables ? iii) pouvons-nous modifier le méthylome (globalement ou localement) pour réprimer certains agents pathogènes humains ? Il / elle utilisera les technologies de séquençage Hi-C et long-read combinées à la génétique microbienne et à la génomique comparative pour faire progresser notre compréhension dans le domaine de l'épigénomique microbienne.