# La transcription, clé de voûte de l'architecture du chromosome bactérien

Amaury Bignaud, Romain Koszul

► To cite this version:

Amaury Bignaud, Romain Koszul. La transcription, clé de voûte de l'architecture du chromosome bactérien. Médecine/Sciences, 2024, 40 (5), pp.412-413. 10.1051/medsci/2024057. hal-04596877

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entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
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abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

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Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# La transcription, clé de voûte de l'architecture du chromosome bactérien

Amaury Bignaud, Romain Koszul

► To cite this version:

Amaury Bignaud, Romain Koszul. La transcription, clé de voûte de l'architecture du chromosome bactérien. Médecine/Sciences, 2024, 40 (5), pp.412-413. 10.1051/medsci/2024057. hal-04596877

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La transcription, clé
de voûte de l'architecture
du chromosome bactérien

Amaury Bignaud, Romain Koszul

Institut Pasteur, CNRS UMR3525, Université
Paris Cité, Unité Régulation spatiale des
génomes, Paris, France.
romain.koszul@pasteur.fr

> Chez les bactéries, l'information géné-
tique est typiquement portée par une,
parfois deux, rarement plus, molécules
d'ADN circulaire d'environ 1 à 10 Mb,
comportant une origine de réplication.
Ce chromosome bactérien est stocké
dans le nucléoïde, un compartiment qui,
contrairement au noyau des cellules
eucaryotes, n'est pas délimité par une
membrane. La double hélice d'ADN est
un très long polymère, surenroulé et
structuré en différents domaines [1,
2]. Cette organisation chromosomique
permet d'empaqueter une molécule de
quelques mm dans un volume contraint
de l'ordre du µm³, tout en exploitant
l'information génétique qu'elle contient
afin de diriger la croissance et la division
cellulaire, ou de réagir à des change-
ments de l'environnement. La structure
tridimensionnelle du chromosome peut
ainsi jouer un rôle important pour la
régulation de l'expression génique, ainsi
que pour la réparation et la réplication
de la molécule d'ADN. Cette organisation
3D peut également varier en fonction de
l'état métabolique de la cellule [3].

Chez la bactérie *Escherichia coli*, dont
le génome a été très étudié, des expé-
riences ont mis en évidence une subdivi-
sion du chromosome en macrodomaines
correspondant notamment à l'origine
et à la terminaison de la réplication de
la molécule d'ADN, et aux bras chromo-
somiques entre ces deux régions [4]. À
l'intérieur de ces macrodomaines, deux
segments d'ADN interagissent plus fré-
quemment que s'ils étaient situés à la
même distance dans des macrodomaines
différents. Ces macrodomaines ont pu

être subdivisés eux-mêmes en sous-
domaines délimités par des gènes for-
tement exprimés [3]. La réplication et
la transcription de l'ADN jouent ainsi un
rôle structurant dans l'organisation du
chromosome bactérien. Cependant, l'im-
pact local d'une plage de transcription
sur l'organisation du chromosome reste
mal caractérisé, bien que l'on sache que
les processus biologiques liés à l'ADN
modifient localement sa structure. Par
exemple, lors de la réplication ou de la
transcription, la double hélice d'ADN
doit être ouverte, ce qui produit des
contraintes physiques sur le polymère
et un surenroulement de la molécule
[5, 6]. Les progrès récents en imagerie
ainsi que la technique de capture de
conformation chromosomique (Hi-C)
pour analyser la structure tridimension-
nelle moyenne d'un génome ont permis
d'étudier l'impact de la transcription
sur l'organisation du nucléoïde avec un
degré de résolution sans précédent [7].
En particulier, il devenait possible de
déterminer comment une unité de trans-
cription influe localement sur la struc-
ture du chromosome bactérien, et dans
quelle mesure la somme de ces effets
locaux peut rendre compte de propriétés
organisationnelles du génome à plus
grande échelle.

Des microdomaines induits
par la transcription

L'analyse du repliement tridimensionnel
du chromosome de la bactérie *E. coli* a
ainsi révélé la présence de dizaines de
microdomaines couvrant de quelques
centaines à quelques milliers de paires

de bases, dont nous avons montré qu'ils
correspondent aux régions transcrites
du génome [8]. Ces microdomaines
(transcription-induced domains, TID)
isolent les unes des autres les régions
avoisinantes. De plus, des TID situés à
proximité les uns des autres tendent à
se regrouper entre eux. L'ajout de rifam-
picine, un antibiotique inhibant l'ARN
polymérase bactérienne, dans le milieu
de culture des bactéries a conduit à la
disparition des microdomaines [8]. Pour
caractériser plus finement ces microdo-
maines, nous avons utilisé une approche
expérimentale permettant d'activer
une seule unité de transcription dans
le génome bactérien. Cette approche
exploite deux propriétés de l'ARN poly-
mérase du bactériophage T7 : sa résis-
tance à la rifampicine et sa spécificité
de transcrire à partir d'une séquence
promotrice de l'ADN de ce bactério-
phage préalablement introduite dans le
génome de E. coli. Après avoir intégré
dans le génome bactérien un promoteur
du phage T7, et placé l'ARN polymérase
de ce bactériophage sous le contrôle
d'un promoteur inductible, nous avons
vérifié qu'en présence de rifampicine
ajoutée au milieu de culture, l'ARN poly-
mérase du phage T7 reste capable de
transcription à partir du seul promo-
teur phagique du chromosome bactérien.
Cela conduit à l'apparition d'une unique
unité de transcription active au milieu
d'un génome par ailleurs « éteint ».
L'induction contrôlée de cette unité de
transcription a ainsi permis de confirmer
que la transcription induit la formation
d'un microdomaine TID, isolé du reste
La transcription, clé
de voûte de l'architecture
du chromosome bactérien

Amaury Bignaud, Romain Koszul

Institut Pasteur, CNRS UMR3525, Université
Paris Cité, Unité Régulation spatiale des
génomes, Paris, France.
romain.koszul@pasteur.fr

> Chez les bactéries, l'information géné-
tique est typiquement portée par une,
parfois deux, rarement plus, molécules
d'ADN circulaire d'environ 1 à 10 Mb,
comportant une origine de réplication.
Ce chromosome bactérien est stocké
dans le nucléoïde, un compartiment qui,
contrairement au noyau des cellules
eucaryotes, n'est pas délimité par une
membrane. La double hélice d'ADN est
un très long polymère, surenroulé et
structuré en différents domaines [1,
2]. Cette organisation chromosomique
permet d'empaqueter une molécule de
quelques mm dans un volume contraint
de l'ordre du µm³, tout en exploitant
l'information génétique qu'elle contient
afin de diriger la croissance et la division
cellulaire, ou de réagir à des change-
ments de l'environnement. La structure
tridimensionnelle du chromosome peut
ainsi jouer un rôle important pour la
régulation de l'expression génique, ainsi
que pour la réparation et la réplication
de la molécule d'ADN. Cette organisation
3D peut également varier en fonction de
l'état métabolique de la cellule [3].

Chez la bactérie *Escherichia coli*, dont
le génome a été très étudié, des expé-
riences ont mis en évidence une subdivi-
sion du chromosome en macrodomaines
correspondant notamment à l'origine
et à la terminaison de la réplication de
la molécule d'ADN, et aux bras chromo-
somiques entre ces deux régions [4]. À
l'intérieur de ces macrodomaines, deux
segments d'ADN interagissent plus fré-
quemment que s'ils étaient situés à la
même distance dans des macrodomaines
différents. Ces macrodomaines ont pu

être subdivisés eux-mêmes en sous-
domaines délimités par des gènes for-
tement exprimés [3]. La réplication et
la transcription de l'ADN jouent ainsi un
rôle structurant dans l'organisation du
chromosome bactérien. Cependant, l'im-
pact local d'une plage de transcription
sur l'organisation du chromosome reste
mal caractérisé, bien que l'on sache que
les processus biologiques liés à l'ADN
modifient localement sa structure. Par
exemple, lors de la réplication ou de la
transcription, la double hélice d'ADN
doit être ouverte, ce qui produit des
contraintes physiques sur le polymère
et un surenroulement de la molécule
[5, 6]. Les progrès récents en imagerie
ainsi que la technique de capture de
conformation chromosomique (Hi-C)
pour analyser la structure tridimension-
nelle moyenne d'un génome ont permis
d'étudier l'impact de la transcription
sur l'organisation du nucléoïde avec un
degré de résolution sans précédent [7].
En particulier, il devenait possible de
déterminer comment une unité de trans-
cription influe localement sur la struc-
ture du chromosome bactérien, et dans
quelle mesure la somme de ces effets
locaux peut rendre compte de propriétés
organisationnelles du génome à plus
grande échelle.

Des microdomaines induits
par la transcription

L'analyse du repliement tridimensionnel
du chromosome de la bactérie *E. coli* a
ainsi révélé la présence de dizaines de
microdomaines couvrant de quelques
centaines à quelques milliers de paires

de bases, dont nous avons montré qu'ils
correspondent aux régions transcrites
du génome [8]. Ces microdomaines
(transcription-induced domains, TID)
isolent les unes des autres les régions
avoisinantes. De plus, des TID situés à
proximité les uns des autres tendent à
se regrouper entre eux. L'ajout de rifam-
picine, un antibiotique inhibant l'ARN
polymérase bactérienne, dans le milieu
de culture des bactéries a conduit à la
disparition des microdomaines [8]. Pour
caractériser plus finement ces microdo-
maines, nous avons utilisé une approche
expérimentale permettant d'activer
une seule unité de transcription dans
le génome bactérien. Cette approche
exploite deux propriétés de l'ARN poly-
mérase du bactériophage T7 : sa résis-
tance à la rifampicine et sa spécificité
de transcrire à partir d'une séquence
promotrice de l'ADN de ce bactério-
phage préalablement introduite dans le
génome de E. coli. Après avoir intégré
dans le génome bactérien un promoteur
du phage T7, et placé l'ARN polymérase
de ce bactériophage sous le contrôle
d'un promoteur inductible, nous avons
vérifié qu'en présence de rifampicine
ajoutée au milieu de culture, l'ARN poly-
mérase du phage T7 reste capable de
transcription à partir du seul promo-
teur phagique du chromosome bactérien.
Cela conduit à l'apparition d'une unique
unité de transcription active au milieu
d'un génome par ailleurs « éteint »..
L'induction contrôlée de cette unité de
transcription a ainsi permis de confirmer
que la transcription induit la formation
d'un microdomaine TID, isolé du reste
<figure><img src="image_2.png" /></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 1.** Impact de la transcription sur le repliement d'un chromosome bactérien. L'ARN polymérase est représentée en bleu. En rouge sont représentés les domaines induits par la transcription (transcription-induced domains, TID), qui sont isolés des régions adjacentes. Les TID sont en périphérie du nucléoïde à la suite de leur transcription, et sont moins mobiles que les régions non transcrites (flèches rouges).</figcaption></figure>

du génome [8]. En combinant des paires d'unités de transcription activées spécifiquement grâce au système du phage T7 sus-décrit, nous avons également confirmé et directement visualisé par la technique Hi-C l'effet de surenroulement de la transcription sur la molécule d'ADN, avec une accumulation de supertours « négatifs » en amont de l'unité de transcription, et de supertours « positifs » en aval [5, 6, 9]. Nos résultats indiquent que le chromosome est structuré en une succession de TID induits par la transcription (Figure 1). Nous avons ensuite cherché à déterminer dans quelle mesure ces unités influent localement sur la dynamique de l'organisation de l'ADN.

### Les microdomaines transcrits sont localisés en périphérie de la cellule

Pour analyser par microscopie la localisation des unités transcrites dans le nucléoïde, nous avons étiqueté une région transcrite et une région non-transcrite par des marqueurs fluorescents (collaboration avec Olivier Espeli au Collège de France, Paris). Nous avons constaté une localisation plus fréquente du marqueur de la région transcrite en

périphérie du nucléoïde. L'inactivation de la transcription a entraîné la relocation de la région auparavant transcrite vers le centre du nucléoïde, tandis que l'activation transcriptionnelle de la région auparavant non transcrite, à l'aide du système du bactériophage T7 décrit précédemment, l'a déplacée vers la périphérie du nucléoïde. De plus, en observant la mobilité des étiquettes de marquage en fonction de l'état transcriptionnel de la région marquée, nous avons constaté que lorsque la région était transcrite, elle était moins mobile au sein du nucléoïde. Nous en avons conclu que les régions transcrites du génome bactérien sont localisées vers la périphérie du nucléoïde, et que leur mobilité est plus contrainte que celle des régions non transcrites (Figure 1).

La transcription génique joue ainsi un rôle crucial dans l'architecture du nucléoïde bactérien. Les TID apparaissent comme des unités fondamentales de l'organisation des domaines chromosomiques, modulant les interactions entre les régions génomiques, leur localisation dans le nucléoïde, et contraignant leur mobilité. La transcrip-

tion est à l'origine d'une multitude de contraintes mécaniques locales, dont la résultante a pour effet de compacter et organiser le chromosome bactérien. Voilà pourquoi, en présence de rifampicine inhibant la transcription, le nucléoïde se décondense et occupe un volume bien plus grand qu'à l'état basal. ◊

### Transcription: The backbone of bacterial chromosome architecture

### LIENS D'INTÉRÊT

Les auteurs déclarent n'avoir aucun lien d'intérêt concernant les données publiées dans cet article.

### RÉFÉRENCES

1. Kleckner N, Fisher JK, Stouf M, et al. The bacterial nucleoid: nature, dynamics and sister segregation. *Curr Opin Microbiol* 2014; 22: 127-37.

2. Lioy VS, Junier I, Baccard F. Multiscale dynamic structuring of bacterial chromosomes. *Annu Rev. Microbiol* 2021; 75: 541-61.

3. Marbouty M, Le Gall A, Cattoni DI, et al. Condensin-and replication-mediated bacterial chromosome folding and origin condensation revealed by Hi-C and super-resolution imaging. *Mol Cell* 2015; 59: 588-602.

4. Valens M, Penaud S, Rossignol M, et al. Macrodomain organization of the *Escherichia coli* chromosome. *EMBO J* 2004; 23: 4330-41.

5. Liu LF, Wang J.C. Supercoiling of the DNA template during transcription. *Proc Natl Acad Sci USA* 1987; 84: 7024-7.

6. Visser BJ, Sharma S, Chen PJ, et al. Psoralen mapping reveals a bacterial genome supercoiling landscape dominated by transcription. *Nucleic Acids Res* 2022; 50: e4436-49.

7. Cockram C, Thierry A, Gorlas A, et al. Euryarchaeal genomes are folded into SMC-dependent loops and domains, but lack transcription-mediated compartmentalization. *Mol Cell* 2021; 81: 459-72.e10.

8. Bignaud A, Cockram C, Borde C, et al. Transcription-induced domains form the elementary constraining building blocks of bacterial chromosomes. *Nat Struct Mol Biol* 2024; 31: 489-97.

9. Guo MS, Kawamura R, Littlehale ML, et al. High-resolution, genome-wide mapping of positive supercoiling in chromosomes. *eLife* 2021; 10: e67236.

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

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à médecine/sciences

Bulletin d'abonnement page 466
dans ce numéro de m/s
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<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 1.** Impact de la transcription sur le repliement d'un chromosome bactérien. L'ARN polymérase est représentée en bleu. En rouge sont représentés les domaines induits par la transcription (transcription-induced domains, TID), qui sont isolés des régions adjacentes. Les TID sont en périphérie du nucléoïde à la suite de leur transcription, et sont moins mobiles que les régions non transcrites (flèches rouges).</figcaption></figure>

du génome [8]. En combinant des paires d'unités de transcription activées spécifiquement grâce au système du phage T7 sus-décrit, nous avons également confirmé et directement visualisé par la technique Hi-C l'effet de surenroulement de la transcription sur la molécule d'ADN, avec une accumulation de supertours « négatifs » en amont de l'unité de transcription, et de supertours « positifs » en aval [5, 6, 9]. Nos résultats indiquent que le chromosome est structuré en une succession de TID induits par la transcription (Figure 1). Nous avons ensuite cherché à déterminer dans quelle mesure ces unités influent localement sur la dynamique de l'organisation de l'ADN.

### Les microdomaines transcrits sont localisés en périphérie de la cellule

Pour analyser par microscopie la localisation des unités transcrites dans le nucléoïde, nous avons étiqueté une région transcrite et une région non-transcrite par des marqueurs fluorescents (collaboration avec Olivier Espeli au Collège de France, Paris). Nous avons constaté une localisation plus fréquente du marqueur de la région transcrite en

périphérie du nucléoïde. L'inactivation de la transcription a entraîné la relocation de la région auparavant transcrite vers le centre du nucléoïde, tandis que l'activation transcriptionnelle de la région auparavant non transcrite, à l'aide du système du bactériophage T7 décrit précédemment, l'a déplacée vers la périphérie du nucléoïde. De plus, en observant la mobilité des étiquettes de marquage en fonction de l'état transcriptionnel de la région marquée, nous avons constaté que lorsque la région était transcrite, elle était moins mobile au sein du nucléoïde. Nous en avons conclu que les régions transcrites du génome bactérien sont localisées vers la périphérie du nucléoïde, et que leur mobilité est plus contrainte que celle des régions non transcrites (Figure 1).

La transcription génique joue ainsi un rôle crucial dans l'architecture du nucléoïde bactérien. Les TID apparaissent comme des unités fondamentales de l'organisation des domaines chromosomiques, modulant les interactions entre les régions génomiques, leur localisation dans le nucléoïde, et contraignant leur mobilité. La transcrip-

tion est à l'origine d'une multitude de contraintes mécaniques locales, dont la résultante a pour effet de compacter et organiser le chromosome bactérien. Voilà pourquoi, en présence de rifampicine inhibant la transcription, le nucléoïde se décondense et occupe un volume bien plus grand qu'à l'état basal. ◊

### Transcription: The backbone of bacterial chromosome architecture

### LIENS D'INTÉRÊT

Les auteurs déclarent n'avoir aucun lien d'intérêt concernant les données publiées dans cet article.

### RÉFÉRENCES

1. Kleckner N, Fisher JK, Stouf M, et al. The bacterial nucleoid: nature, dynamics and sister segregation. *Curr Opin Microbiol* 2014; 22: 127-37.

2. Lioy VS, Junier I, Baccard F. Multiscale dynamic structuring of bacterial chromosomes. *Annu Rev. Microbiol* 2021; 75: 541-61.

3. Marbouty M, Le Gall A, Cattoni DI, et al. Condensin-and replication-mediated bacterial chromosome folding and origin condensation revealed by Hi-C and super-resolution imaging. *Mol Cell* 2015; 59: 588-602.

4. Valens M, Penaud S, Rossignol M, et al. Macrodomain organization of the *Escherichia coli* chromosome. *EMBO J* 2004; 23: 4330-41.

5. Liu LF, Wang J.C. Supercoiling of the DNA template during transcription. *Proc Natl Acad Sci USA* 1987; 84: 7024-7.

6. Visser BJ, Sharma S, Chen PJ, et al. Psoralen mapping reveals a bacterial genome supercoiling landscape dominated by transcription. *Nucleic Acids Res* 2022; 40: e4436-49.

7. Cockram C, Thierry A, Gorlas A, et al. Euryarchaeal genomes are folded into SMC-dependent loops and domains, but lack transcription-mediated compartmentalization. *Mol Cell* 2021; 81: 459-72.e10.

8. Bignaud A, Cockram C, Borde C, et al. Transcription-induced domains form the elementary constraining building blocks of bacterial chromosomes. *Nat Struct Mol Biol* 2024; 31: 489-97.

9. Guo MS, Kawamura R, Littlehale ML, et al. High-resolution, genome-wide mapping of positive supercoiling in chromosomes. *eLife* 2021; 10: e67236.

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