Natural transformation and gene transfer agents : new perspectives on horizontal gene transfer in environmental bacteria

Le transfert horizontal de gènes (THG) est un moteur essentiel de l'évolution et de l'adaptation chez les procaryotes. Ce processus permet l'acquisition de gènes issus d'organismes non apparentés via des mécanismes bien connus comme la conjugaison, la transformation naturelle ou la transduction, mais aussi via des systèmes moins conventionnels tels que les agents de transfert de gènes (ATG), les vésicules membranaires ou les nanotubes intercellulaires.
Si le THG contribue à accroître la diversité génétique, il pourrait offrir également d'autres avantages. Par exemple, des études suggèrent que la transformation naturelle pourrait conférer des avantages aux cellules réceptrices en leur permettant d'utiliser l'ADN internalisé comme matrice pour la réparation de leur génome ou comme substrat pour l'acquisition de nutriments. Cependant, le THG n’est pas sans risque pour le receveur : une intégration inadéquate peut provoquer des cassures chromosomiques, l'acquisition de gènes incompatibles ou délétères peut réduire la valeur sélective d'un individu, et le processus lui-même engendre un coût énergétique. Ainsi, l'utilisation du THG doit répondre à un équilibre complexe entre avantages et inconvénients.
L'objectif principal de cette thèse est d'approfondir notre compréhension du THG en répondant à deux questions fondamentales : quels sont les avantages spécifiques que la transformation naturelle et le THG via les ATG confèrent aux bactéries ? Dans quelles conditions ces mécanismes confèrent-ils le plus d'avantages ?
La première partie de ce travail s'est concentrée sur le mécanisme de transformation naturelle chez l'espèce bactérienne Pseudomonas stutzeri. Ce processus implique l'absorption d'ADN extracellulaire par la bactérie réceptrice, suivie de son intégration dans le génome via recombinaison homologue. Pour ce faire, la bactérie doit développer un état de compétence, caractérisé notamment par la production d'un appendice spécialisé. Nous avons d'abord évalué le rôle de la compétence dans l'utilisation de l'ADN comme source de nutriments. Nos résultats indiquent que, bien que P. stutzeri puisse effectivement métaboliser l'ADN comme source de carbone et d'azote, cette capacité ne dépend pas principalement de l'appareil d'importation d'ADN, suggérant l'existence d'un mécanisme alternatif de dégradation extracellulaire, probablement réalisé par des nucléases. Nous avons ensuite identifié les conditions favorisant le développement de la compétence, démontrant que l'expression des gènes nécessaires à la transformation naturelle est augmentée en réponse à un stress génotoxique (comme les UV) et atteint son maximum lorsque la population bactérienne sort de la phase exponentielle de croissance. Enfin, nous avons mis au point une approche pour identifier globalement les gènes essentiels à la transformation naturelle chez les donneurs et les receveurs. Bien que cette méthode nécessite encore des optimisations, elle nous a permis d'identifier des gènes essentiels pour la croissance et la survie de P. stutzeri.
La seconde partie de cette thèse s'est intéressée à Paracoccus versutus et au transfert de gènes via les ATG. Les ATG sont des particules similaires à des virus produites par une bactérie donneuse. Ils encapsulent des fragments du génome de celle-ci et les injectent dans des cellules réceptrices, où ces fragments peuvent s’intégrer par recombinaison homologue. Nos travaux ont permis de démontrer pour la première fois la capacité de P. versutus à effectuer du transfert de gènes via des ATG. Nous avons également montré qu'une délétion dans le gène cpdB a pour conséquence une concentration plus élevée de diguanylate cyclique, un messager intracellulaire utilisé par de nombreuses bactéries. Cette délétion a rendu notre souche de P. versutus résistante au phage PvEP4A mais a également diminué sa capacité à transmettre des gènes via les ATG, mettant en lumière un compromis auquel cette bactérie fait face : la résistance à ce phage se fait au détriment du transfert génétique. Par ailleurs, nous avons établi que les ATG de P. versutus présentent des caractéristiques uniques par rapport à ceux de Rhodobacter capsulatus, notamment en ce qui concerne la régulation de leur production et l'encapsulation de l'ADN, malgré la proximité génétique entre ces deux modèles bactériens.
En conclusion, cette thèse apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes par lesquels les bactéries régulent la transformation naturelle et le transfert de gènes via les ATG, et met en évidence des adaptations spécifiques à chaque espèce étudiée, en contraste avec les modèles bactériens plus classiques. Bien que ces mécanismes de transfert de gènes soient communs à plusieurs espèces, chaque espèce adapte ces processus pour maximiser leurs bénéfices tout en minimisant les risques et les coûts associés. Plus globalement, ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives sur les stratégies d'adaptation bactériennes en matière d'échanges génétiques, où le THG apparaît comme un outil clé dans l'arsenal évolutif des microorganismes.

ABSTRACT
Horizontal gene transfer (HGT) is a key driver of evolution and adaptation in prokaryotes. This process enables the acquisition of genes from non-related organisms through various mechanisms: conjugation, natural transformation, transduction, as well as less known systems like gene transfer agents (GTAs), membrane vesicles, or intercellular nanotubes.
While HGT increases genetic diversity, it may also confer other advantages. For example, studies suggest that natural transformation may confer advantages to recipient cells by enabling them to utilize internalized DNA as a template for genome repair or as a substrate for nutrient acquisition. However, the HGT carries risks for the recipient: improper integration may cause chromosomal breaks, acquisition of incompatible or deleterious genes can reduce bacterial fitness, and the process itself might incur an energy cost. Thus, HGT presents a complex trade-off between costs and benefits.
The main goal of this thesis was to deepen our understanding of HGT by addressing two fundamental questions: What specific advantages do natural transformation and HGT mediated by GTAs provide to bacteria? Under what conditions are they most beneficial?
The first part focused on natural transformation in Pseudomonas stutzeri. This process involves extracellular DNA uptake by the recipient bacterium, followed by its integration into the genome via homologous recombination. To achieve this, the bacterium must develop a competence state, characterized especially by the production of a specialized apparatus. We first evaluated the role of competence in using DNA as a nutrient source. Our results indicate that while P. stutzeri can metabolize DNA for carbon and nitrogen, this ability does not primarily depend on the DNA import machinery, suggesting an alternative extracellular degradation mechanism, likely mediated by nucleases. We then identified conditions favoring competence, demonstrating that genes required for natural transformation are upregulated in response to genotoxic stress (e.g., UV) and peak when bacterial populations exit exponential growth. Finally, we adapted a method to globally identify genes essential for natural transformation in donors and recipients. Though further optimization is needed, this approach revealed essential genes for P. stutzeri growth and survival.
The second part investigated the ability of Paracoccus versutus to perform gene transfer mediated by GTAs. GTAs are virus-like particles produced by host bacteria. They encapsulate donor DNA fragments and inject them into recipient cells, where the DNA fragments may integrate via homologous recombination. Our work demonstrated the ability of P. versutus to perform GTA-mediated transfer for the first time. We also showed that a deletion in the gene cpdB increases cyclic diguanylate concentration, rendering P. versutus resistant to the phage PvEP4A but reducing its ability for GTA-mediated transfer. This highlights a possible trade-off between phage resistance and gene transfer. Additionally, P. versutus GTA exhibits unique features compared to the one of Rhodobacter capsulatus, particularly in terms of the regulation of its production and DNA encapsulation, despite genetic proximity between both bacterial models.
In conclusion, this thesis provides new insights into bacterial regulation of natural transformation and HGT mediated by GTAs and highlights species-specific adaptations. Though HGT mechanisms are common across multiple species, each species optimizes these processes to maximize benefits while minimizing risks and costs. Broadly, this work advances our understanding of the diversity of bacterial adaptive strategies in terms of gene exchange, highlighting how HGT functions as a tool in microbial evolutionary arsenal.

Thesis committee members:
Dr Diego Gonzalez, thesis co-director, University of Neuchâtel
Prof. Pilar Junier, thesis co-director, University of Neuchâtel
Prof. Josephus Vermeer, internal expert, University of Neuchâtel
Prof. Christoph Dehio, external expert, University of Basel

Defended on the 10th of June 2025

No de thèse : 3193