Mutagenesis in Single-Cells and Evolution (MuSE)

À propos

Les mutations, i.e. les changements dans la séquence génétique d'un organisme, sont le moteur de l'évolution. Mais elles ont également des conséquences importantes pour la santé humaine. La lutte contre les maladies infectieuses est une course évolutive permanente avec les agents pathogènes, où les mutations alimentent la virulence, la résistance aux antibiotiques et l'échappement des bactériophages.

Les mutations ont été largement étudiées depuis plus d'un siècle, mettant en lumière les mécanismes sous-jacents à leur production et leurs effets sur les individus et les populations. Notre équipe aborde certaines des questions inexplorées sur la mutagenèse chez les phages et les bactéries. Certaines de ces questions nécessitent le développement de nouvelles approches expérimentales. En 2018, nous avons développé une approche de cellule unique combinant microscopie, microfluidique et marquage fluorescent des erreurs de réplication. Cela nous permet de suivre directement les mutations et leurs effets dans une seule bactérie.

Chercheur travaillant sur une expérience tout en portant une blouse de laboratoire dans le MuSE Lab.

Photos en gros plan de tubes à essai étiquetés et disposés dans le MuSE Lab

Portrait de Marina Elez parlant à une collègue du MuSE Lab

Portrait de Lydia Robert travaillant avec une collègue du MuSE Lab

Boîtes de Petri empilées et prêtes pour l'analyse dans le MuSE Lab

Photo en gros plan de pipettes de laboratoire marquées et prêtes à l'emploi dans le MuSE Lab

Portrait de Yuvaraj Bhoobalan discutant des résultats avec une collègue du MuSE Lab

Photo en gros plan de la main d'un chercheur faisant fonctionner un équipement électronique dans le laboratoire MuSE

Images prises dans notre labo © AiR&D, Alexandre Darmon

Notre nouvelle approche unicellulaire pour étudier la mutagenèse et l'évolution

Accumulation de mutations et microfluidique :

Des milliers de cellules d'Escherichia coli sont cultivées dans notre puce microfluidique "mother machine" et accumulent des mutations pendant des centaines de générations.

Expérience de visualisation de mutations :

Les cellules d'Escherichia coli (rouge) sont cultivées dans notre puce microfluidique "mother machine". Les taches jaunes marquent les mutations naissantes.

Projets actuels

Responsables du projet : Lydia ROBERT & Marina ELEZ

De nombreuses mutations spontanées sont dues à des erreurs de réplication de l'ADN. De telles erreurs peuvent être réparées par un système dédié appelé Mismatch Repair (MMR). Ainsi, les mutations se produisent en deux étapes : la production d'une séquence d'ADN erronée par la polymérase et l'échec de sa réparation par le MMR.

Récemment, nous avons utilisé notre approche de visualisation des mutations pour étudier la dynamique de production d'erreurs - i.e. la première étape de l'apparition des mutations - et avons révélé des variations modérées du taux d'erreur de cellule à cellule au cours d'une croissance normale. Maintenant, nous étendons notre méthode pour visualiser simultanément la production et la réparation des erreurs de réplication par MMR. L'étude de cette deuxième étape - i.e. les fluctuations de l'efficacité de réparation des erreurs et la dynamique des mutations causées par les échecs de réparation - nous permet de caractériser pleinement la dynamique des mutations dans les cellules en croissance.

Quatre images: un microscope à fluorescence, un schéma d'un canal microfluidique, des bactéries se développant dans le canal et des mutations.

Responsables du projet : Marina ELEZ & Marianne DE PAEPE

Dans ce projet, nous abordons les questions liées à l'apparition de mutations lors d'infections phagiques. Pourquoi les phages à ADN, même ceux qui utilisent la machinerie de réplication de leurs hôtes, ont-ils un taux de mutation environ cent fois plus élevé que celui de leurs hôtes ? Peut-on moduler le taux de mutation des phages ? Peut-on ralentir la diversification et l'évolution des phages ? Quel est l'impact de l'infection phagique sur le taux de mutation de l'hôte ?

Pour étudier ces questions, nous utilisons E. coli et plusieurs de ses bactériophages tels que lambda, T4 et M13, comme systèmes modèles. Nous abordons ces questions en utilisant, en plus de la vidéo microscopique et de la visualisation des mutations basée sur la microfluidique développée par notre groupe, la biologie moléculaire, la microbiologie, la génétique et des approches pangénomiques telles que le séquençage duplex et Chip-Seq.

Notre laboratoire est membre du Réseau Phages Français

Série de trois photos prises au microscope lors d'une expérience montrant des mutations de cellules marquées en jaune au cours du temps.

Responsables du projet : Marina ELEZ & Lydia ROBERT, récipiendaire du Prix IMPULSCIENCE 2022

Les données accumulées au cours des dernières décennies suggèrent que, dans des conditions de stress, certaines cellules pourraient déclencher des mécanismes moléculaires spécifiques qui augmentent leur taux de mutation. En particulier, les bactéries pourraient augmenter leur taux de mutation en présence de concentrations sublétales d'antibiotiques. Des traces d'antibiotiques sont souvent retrouvées dans les milieux naturels et pourraient augmenter le taux d'adaptation des bactéries et donc leur capacité à acquérir des mutations conférant une résistance aux antibiotiques.

Les études passées portant sur l'effet du stress sur la mutagenèse étaient limitées par les approches expérimentales classiques. Nous allons donc utiliser notre nouvelle approche pour caractériser la mutagenèse chez E. coli dans des environnements de stress. Nous visualiserons les erreurs de réplication, évaluerons la fidélité de la réplication et la capacité de réparation au niveau de la cellule unique, et développerons également une nouvelle méthode pour estimer le taux, le spectre et la localisation de tous les types de mutations.

Les cellules d'Escherichia coli (rouge) sont cultivées dans la puce microfluidique de la machine mère. Les taches vertes marquent les mutations naissantes.

Responsable du projet : Marianne DE PAEPE

Les changements dans l'environnement microbien intestinal peuvent avoir des conséquences dramatiques pour la santé humaine. La maladie de Crohn (MC) se caractérise par une inflammation chronique couplée à un déséquilibre de la composition du microbiote intestinal (c'est-à-dire une dysbiose), comme l'ont régulièrement soulignées plusieurs études. Pourtant, les causes proximales de cette dysbiose sont loin d'être connues. Alors que beaucoup a été fait pour comprendre le rôle des composants bactériens de l'intestin, la nanofraction biologique - composée de virus et de vésicules membranaires - reste largement sous-étudiée bien qu'elle soit la plus abondante. Les virus qui infectent les bactéries (bactériophages) jouent un rôle clé dans l'écologie microbienne de par leur action dans la modulation des communautés bactériennes ainsi que leur rôle dans la dysbiose. En raison de leur petite taille, les phages et les vésicules membranaires pourraient également avoir des interactions directes avec l'épithélium intestinal, entraînant ainsi les inflammations.

Nous pensons qu'il pourrait donc y avoir une corrélation entre l'abondance et la diversité de la nanofraction intestinale et l'état inflammatoire intestinal. En collaboration avec L. De Sordi (Centre de Recherche Saint-Antoine, Paris), et M. Petit (Micalis, INRAE), nous étudions cet aspect quantitativement et qualitativement, grâce à un large éventail de techniques allant de la microscopie à épifluorescence à la métaprotéomique et la métagénomique, et la nanofraction d'échantillons intestinaux de patients CD et de volontaires sains.

Ce projet éclaire non seulement la compréhension de la nanofraction intestinale caractérisant la physiopathologie de la MC, mais établira également des normes de recherche pour le profilage de la nanofraction biologique de multiples écosystèmes humains et le diagnostic des troubles.