Soutenance de thèse de Xiaomei XU

Les cyanobactéries, les seuls procaryotes réalisant la photosynthèse oxygénique, sont morphologiquement très divers, allant de la cellule unique aux filaments multicellulaires. Chez certaines souches multicellulaires, la mise en place d’une spécificité cellulaire permet la coexistence de fonctions distinctes et ainsi l'adaptation aux changements environnementaux. Par exemple, en cas de carence en azote combiné, certaines cyanobactéries filamenteuses, comme Nostoc PCC 7120, entament une différenciation cellulaire pour développer des hétérocystes dédiés à la fixation de l'azote atmosphérique. Les hétérocystes se forment selon un schéma semi-régulier qui suit les règles du modèle de Turing : dans la cellule en développement, un régulateur transcriptionnel (HetR) active un programme transcriptionnel spécifique qui inclut l'expression de ses propres inhibiteurs. La diffusion de ces morphogènes inhibiteurs le long du filament assure l'établissement du « pattern ». L'objectif de ma thèse était d’élucider les mécanismes moléculaires contrôlant la formation du « pattern » de différenciation des hétérocystes chez Nostoc. L’implication des réseaux d'interaction protéine-protéine dans le contrôle du ratio cellules végétatives/hétérocystes était au cœur de mon projet. Une approche de double-hybride bactérien couplée à une analyse génomique nous ont permis d'analyser les interactions se produisant entre les protéines impliquées dans la formation des hétérocystes et l'établissement du « pattern » et leur conservation à travers le phylum cyanobactérien. Un réseau décrivant toutes ces a été établi et décrit comme le "patternome". Dans une deuxième partie du projet, nous avons découvert le mécanisme d'immunité (HetL) qui protège le régulateur majeur de la différenciation cellulaire (HetR) des morphogènes inhibiteurs impliqués dans l'établissement du « pattern ». Cela a permis de mettre en lumière une étape cruciale du programme de différenciation : comment HetR est protégé de l'inhibition spécifiquement dans la cellule en développement? Une troisième partie de mon projet a consisté à comprendre le mécanisme et le processus de maturation du morphogène inhibiteur PatX nouvellement identifié. Nos données suggèrent que PatX agit en inhibant la fonction de HetR et que son export vers le périplasme est nécessaire à sa maturation et donc à son activité. L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce projet constituent une avancée significative dans notre compréhension de la différenciation cellulaire chez Nostoc.

Cyanobacteria, the only prokaryotes performing oxygenic photosynthesis are morphologically-highly diverse bacteria, ranging from single cells to multicellular filaments with different degrees of complexity. In some multicellular strains, the establishment of cell-type specificity through cell differentiation allows specialized functions to occur and thus adaptation to environmental changes. For instance, under combined nitrogen starvation, some filamentous cyanobacteria, such as Nostoc PCC 7120 launches cell differentiation to develop heterocysts devoted to atmospheric nitrogen fixation. Heterocysts are formed at a semi-regular pattern that follows the Turing-model rules: in the developing cell, a transcriptional regulator (HetR) activates a specific transcriptional program that includes the expression of its own inhibitors. The diffusion of these inhibitory morphogens along the filament ensures pattern establishment. The aim of my thesis was to unveil molecular mechanisms controlling pattern formation and heterocyst differentiation in Nostoc. How protein-protein interaction networks guide and control the ratio between vegetative cells and heterocysts was at the heart of my project. A bacterial two-hybrid approach and a genomic survey allowed us to analyze the interactions occurring between the proteins involved in heterocyst formation and pattern establishment and their conservation across the cyanobacterial phylum A network describing all the interactions between these conserved factors was established and depicted as the “patternome”. In a second part of the project we discovered the immunity mechanism (HetL) that protects the master regulator of cell differentiation (HetR) from the inhibitory morphogens involved in pattern establishment. This shed light on a crucial step of the differentiation program: how HetR is protected from inhibition specifically in the developing cell? A third part of my project aimed at understanding the mechanism and the maturation process of the newly identified inhibitory morphogen PatX. Our data suggest that PatX acts by inhibiting HetR function and that its export to the periplasm is necessary to its maturation and therefore to its activity. Taken together, the results obtained in the course of this project make a significant progress in our understanding of heterocyst differentiation in Nostoc.