Les microARN (miARN), qui sont des ARN de 21 à 25 bases, constituent la dernière classe de régulateurs de l'expression génétique découverte. Environ 1500 ont été identifiés chez l'homme à ce jour. Les miARN sont des biomarqueurs de nombreuses pathologies (cancers et maladies cardiovasculaires, auto-immunes (sclérose en plaque), neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson) et infectieuses (SIDA, CHIKV)) et l'ambition du projet doctoral est de réaliser un prototype de biocapteur électrochimique qui permette leur détection directe dans des fluides biologiques d'origine humaine (sérum) à des concentrations très faibles, du picomolaire (10^-12 M) au subattomolaire (10^-16 M), sans amplification par réaction de polymérisation en chaîne (PCR). / MicroRNAs (miRNA), which are 21 to 25 base length RNAs, are the last discovered class of genetic expression regulators. Nowadays, about 1500 human miRNAs have been identified. MiRNA are biosensors of many pathologies (cancers, cardiovascular, auto-immune (multiple sclerosis),neurodegenerative (Alzheimer, Parkinson)and infectious diseases (AIDS, CHIKV)) and the doctoral project ambition is to develop an electrochemical biosensor prototype for miRNA direct detection in biological human fluids (serum) at very low concentrations, from picomolar (10^-12 M) to subattomolar (10^-16 M), without amplification by polymerisation chain reaction (PCR).

Dans les cellules eucaryotes, la biogenèse des ribosomes débute par la transcription des unités répétées d'ADN ribosomique (ADNr) par l'ARN polymérase I (Pol I). Ce processus génère un transcrit primaire (pré-ARNr), qui contient les séquences correspondant aux ARNr matures 18S, 5.8S et 25S. Le quatrième ARNr (5S) est transcrit indépendamment par Pol III. Le pré-ARNr s'associe de manière co-transcriptionnelle avec des protéines ribosomiques et de nombreux facteurs de maturation pour former une grande particule pré-ribosomique précoce appelée " particule 90S ". Cette particule précoce subit des étapes complexes de maturation générant les particules pré-40S et pré-60S à l'origine des deux sous-unités ribosomiques matures. Une partie de mes travaux de thèse a consisté en l'étude de l'hétérodimère Rpf2-Rrs1 chez la levure. Cet hétérodimère est connu pour son rôle essentiel dans le recrutement au sein des pré-ribosomes de la RNP 5S, une particule contenant l'ARNr 5S associé aux protéines ribosomiques RpL5 et RpL11. Nous avons révélé que Rpf2 et Rrs1 interagissent avec la chromatine de l'ADNr par des expériences d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP) et que cette interaction ne dépend pas de l'intégrité des particules pré-ribosomiques. De plus, Rpf2 et Rrs1 interagissent avec des sous-unités de la Pol I et avec plusieurs facteurs associés à la chromatine de l'ADNr in vivo. Ces données suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 est impliqué dans la régulation de la transcription Pol I en plus de sa fonction dans l'assemblage des pré-ribosomes. Nous avons observé par des expériences d'étalements de Miller que la perte d'expression de Rpf2 et Rrs1 est corrélée avec de fortes perturbations dans l'organisation des unités d'ADNr. Grâce à des expériences de " run-on ", une technique permettant d'évaluer la présence de Pol I actives sur l'ADNr in vivo, j'ai pu montrer par ailleurs que la perte d'expression de Rpf2 et Rrs1 affecte fortement le niveau de transcription Pol I. Des expériences complémentaires suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 semble être présent sur l'ADNr en absence de transcription Pol I et a la capacité d'interagir directement avec l'ARN Pol I purifiée in vitro. Ces résultats suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 joue un rôle crucial dans la coordination fonctionnelle entre transcription de l'ADNr et assemblage des particules pré-ribosomiques chez la levure. Une autre partie de mes travaux de thèse a porté sur l'étude de l'hélicase Prp43p. Prp43p est une hélicase à boite DEAH impliquée à la fois dans la synthèse des ribosomes et dans l'épissage des pré-ARNm. Cette hélicase interagit avec des protéines à domaine G-patch qui stimulent son activité enzymatique in vitro par un mécanisme inconnu. Durant ma thèse, nous avons pu montrer que l'activation de Prp43 par des protéines à domaine G-patch semble être en lien avec le mode unique de liaison de l'ATP par cette famille d'hélicases. Des données structurales indiquent que la base purique de la molécule d'ATP est empilée entre l'arginine 159 (R159) du domaine RecA1 et la phénylalanine 357 (F357) du domaine RecA2 dans le site actif de Prp43. L'étude in vitro d'un mutant de Prp43 portant une substitution du résidu F357 en alanine (F357A), nous a permis de montrer que l'absence de l'empilement de la base de l'ATP avec le résidu F357 découple les activités ATPase et hélicase de Prp43. En revanche, la substitution du résidu R159 en alanine affecte à la fois les activités ATPase et hélicase de l'enzyme. Nous avons observé par ailleurs que le mutant R159A induit le même phénotype que celui résultant de l'absence de la protéine Gno1, un des partenaires à domaine G-patch de Prp43. Ce résultat suggère fortement que les défauts de maturation observés en l'absence de Gno1 résultent d'un défaut d'activation de l'activité hélicase de Prp43. Ainsi l'empilement de la base nucléotidique entre les résidus F357 et R159 parait important pour l'activité et la régulation de cette famille d'hélicases. / In eukaryotic cells, ribosome synthesis begins with the transcription of ribosomal DNA (rDNA) by RNA polymerase I (Pol I). This process generates a primary transcript (pre-rRNA), containing the sequences corresponding to the mature 18S, 5.8S and 25S rRNAs. The fourth rRNA (5S) is transcribed independently by RNA Pol III. The pre-rRNA associates co-transcriptionally with some ribosomal proteins and many maturation factors to generate a large initial pre-ribosomal particle called the 90S particle. This particle undergoes a complex maturation process generating the pre-40S and pre-60S particles that will generate the mature ribosomal subunits. The first part of my thesis work consisted in the study of the Rpf2-Rrs1 heterodimer in yeast. This heterodimer is known to be essential for the maturation of pre-60S particles through the recruitment of the 5S RNP, a module containing the 5S rRNA associated to ribosomal proteins RpL5 and RpL11. We showed that Rpf2 and Rrs1 interact with rDNA chromatin using chromatin immunoprecipitation (ChIP) experiments and that this interaction does not depend on the integrity of the pre-ribosomal particles. Moreover, both Rpf2 and Rrs1 interact with Pol I subunits and with several rDNA chromatin-associated factors in vivo. These data suggest a function of the Rpf2-Rrs1 heterodimer in the regulation of Pol I transcription in addition to its role in the maturation of pre-60S particles. Interestingly, we observed using Miller spread experiments that loss of expression of Rpf2 or Rrs1 is correlated with strong perturbations in the organization of rDNA units. Using the "run-on" experiment, a technique allowing to determine the occupancy of active polymerases on the rDNA units, I further showed that loss of expression of Rpf2 or Rrs1 strongly affects Pol I transcription in yeast cells. Additional experiments suggest that the Rpf2-Rrs1 complex is present on rDNA units in absence of Pol I transcription in vivo and interacts with purified Pol I in vitro. These data strongly suggest that the Rpf2-Rrs1 heterodimer is a prime candidate to plays a crucial role in the functional coupling between rDNA transcription and pre-ribosome assembly in yeast cells. The second part of my thesis work focused on the study of the Prp43 helicase in yeast. Prp43 is a helicase from the DEAH/RHA family required for both the synthesis of ribosomes and the splicing of pre-mRNAs. Prp43 interacts with G-patch domain-containing proteins which activate its enzymatic activity in vitro by an unknown mechanism. During my thesis, we showed that the activation of Prp43 by G-patch proteins seems to be linked to the unique nucleotide binding mode of this helicase family. Previous structural data showed that the base of the ATP molecule is stacked between two residues, R159 of the RecA1 domain and F357 of the RecA2 domain in the active site of Prp43. The in vitro study of a Prp43 mutant bearing a substitution of F357 to an alanine (F357A) showed that the lack of stacking of the nucleotide base to the F357 residue uncouples the NTPase and helicase activities of Prp43 in vitro. In contrast the substitution of R159 to an alanine (R159A) reduced both the ATPase and helicase activities of the enzyme. We observed in addition that the Prp43 R159A mutation induces the same phenotype as the one resulting from the absence of Gno1, one of the G-patch domain-containing partners of Prp43. This result strongly suggests that the processing defects observed in the absence of Gno1 result from a failure to activate the Prp43 helicase. Overall we propose that the stacking of the ATP base between residues R159 and F357 is important for the activity and regulation of this helicase family.

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Aujourd’hui encore, le diagnostic des maladies génétiques et la compréhension des mécanismes pathologiques qui en découlent demeurent difficile. On dénombre à ce jour plus de deux cents formes de myopathies, en majorité d’origine génétique, mais dont les gènes ne sont pas toujours identifiés. Dans le cas où le gène causal est connu, il peut subsister des problèmes diagnostics. L'absence d’information génétique peut alors nuire à la prise en charge des malades ainsi qu’au développement d’outils thérapeutiques. Ma thèse a été conduite dans le but d’améliorer ces éléments : j’ai mis en évidence l’implication d’un nouveau gène dans la dystrophie facio-scapulo-humérale ; optimisé le diagnostic des calpaïnopathies en étudiant l’impact de mutations faux-sens sur l’épissage du gène responsable et analysé les interactions protéiques et ioniques mises en place lors de phénomènes d’entrée calcique. Enfin, j’ai participé au développement d’outils thérapeutiques dans le cadre des dysferlinopathies. / Nowadays, diagnosis and pathomechanisms of genetic disorders remain difficult to explore. There are actually more than 200 forms of myopathies, mostly genetics, even if the culprit gene is not always identified. However, even when the causative gene is known, it often remains diagnostic issues because of clinical and genetic heterogeneity and wide mutational spectrum. The lack of genetic information affects patients cares and impairs the development of new therapeutic tools. My thesis was conducted in order to extend these elements: I have shown that a new gene may be involved in facio-scapulo-humeral dystrophy; I have improved calpainopathie’s diagnosis by studying the impact of missense mutations on RNA splicing; I have also analyzed how proteins contributed to calcium entry in the cell. Finally, I contributed with a new therapeutic tools for dysferlinopathies.

Chez E. coli, Rho est un facteur essentiel qui contrôle l’expression de multiples unités transcriptionnelles via le phénomène de terminaison de la transcription. Rho est un moteur moléculaire ATP-dépendant ayant une activité ARN hélicase caractéristique de sa capacité à dissocier des obstacles (comme l’ARN polymérase) lors de sa translocation le long de sa piste ARN. Il existe différentes structures de Rho en interaction avec l’ARN qui suggèrent des mécanismes de translocation contradictoires. Afin de mieux comprendre ces mécanismes, nous avons utilisé deux approches complémentaires pour identifier les fonctionnalités moléculaires importantes au sein de l’ARN et de Rho : l’approche NAIM (Nucleotide Analog Interference Mapping) développée au laboratoire et la mutagenèse dirigée. Nos résultats excluent une organisation de l’anneau hexamérique en «trimère de dimère» (ainsi que les mécanismes de translocation qui en découlent) mais sont compatibles avec différents aspects rencontrés dans une structure en anneau asymétrique plus récente. Toutefois, nos résultats ne supportent pas le mécanisme d’escorte nucléotide par nucléotide qui découle de cette structure asymétrique. Ainsi, nous montrons que Rho contacte la chaîne ARN de façon hétérogène et ne nécessite un groupement 2’-OH que tous les sept nucléotides en moyenne. Par ailleurs, nous avons exploré l’interactome d’E. coli dans le but d’identifier d’éventuels régulateurs de la fonction de Rho. Nous montrons que la protéine hexamèrique Hfq présente une similitude topologique avec les protéines endogènes NusG et YaeO et que, comme elles, Hfq s’associe à Rho pour en réguler la fonction. L’interaction Hfq:Rho inhibe les activités enzymatiques de Rho. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme d’anti-terminaison de la transcription avec diverses implications possibles dans le métabolisme bactérien et/ou la virulence de germes pathogènes. / In E. coli, Rho is an essential factor that controls the expression of multiple transcriptional units via the phenomenon of transcription termination. Rho is an ATP-dependent molecular motor displaying RNA helicase activity, a feature typical of Rho’s ability to dissociate obstacles (such as RNA polymerase) during translocation along its RNA track. Different structures of the Rho-RNA complex have been published and suggest contradictory mechanisms of translocation. In order to understand these mechanisms, we have used two complementary approaches to identify functionality molecular comports in RNA and Rho : the NAIM (Nucleotide Analog Interference Mapping) approach developed in the laboratory and site-directed mutagenesis. Our results exclude that Rho forms a functional "trimer of dimer" ring (which rules out related translocation mechanisms) but are compatible with various aspects encountered in a recent asymmetric ring structure. However, our results do not support the "nucleotide by nucleotide" escort mechanism inferred from this asymmetric structure. Indeed, we show that Rho forms heterogonous contacts with the RNA chain and only requires a 2'-OH every seven nucleotides on average. Furthermore, we explored the interactome of E. coli in order to identify potential regulators of Rho function. We show that the hexameric protein Hfq displays topological similarity with the endogenous proteins NusG and YaeO and, that, like them, Hfq associates with Rho to regulate Rho function. The Hfq:Rho interaction inhibits the enzymatic activities of Rho. These results reveal a novel mechanism of transcription anti-termination with potentially important implications in bacterial metabolism and/or virulence of pathogens.

Les ARN constituent des cibles thérapeutiques extrêmement intéressantes bien qu’encore assez peu exploitées. En effet, les obstacles pour la conception de ligands spécifiques de ces cibles non traditionnelles, polyanioniques et très flexibles, sont encore loin d’être levés. Les aminoglycosides, utilisés depuis longtemps pour leurs propriétés antibiotiques, sont souvent décrits comme des « ligands universels » d’ARN. Leur structure constitue donc une architecture favorable pour l’élaboration de nouveaux ligands spécifiques des ARN.Le but de cette thèse a été de développer une méthode systémique originale combinant chimie organique et microbiologie pour synthétiser de nouvelles molécules de structure analogue aux aminoglycosides, se fixant de façon spécifique sur des cibles ARN. Ce travail repose sur la compréhension récente des voies de biosynthèse des aminoglycosides permettant leur ingénierie rationnelle selon une stratégie de mutasynthèse. Cette approche expérimentale s’appuie sur la conception de mimes de métabolites naturels pouvant être transformés par des bactéries génétiquement modifiées. Le développement de méthodologies novatrices en ingénierie métabolique, synthèse organique et chimie analytique nous a permis de concevoir des analogues d’aminoglycosides fluorés qui se sont avérées être d’excellentes sondes dans l’étude des ARN par RMN du fluor. / Pas de résumé en anglais

Les réseaux de molécules interdépendantes sont depuis quelque temps considérés comme de potentiels candidats pour avoir amorcé la transition de la biologie à la chimie. Bien qu'ils aient été intensivement examinés en théorie, il n'existe toujours aucune preuve expérimentale pour confirmer ou infirmer leur supposé rôle crucial dans les origines de la vie. En particulier, il nous manque encore une démonstration empirique des trois ingrédients habituellement présentés comme requis pour l'évolution darwinienne: l'hérédité, la variation et la sélection. Un système qui posséderait les trois tout en étant couplé à un processus de réplication en compartiments serait théoriquement capable d’évoluer au sens darwinien du terme. Par exemple, cela a été montré théoriquement pour les Ensembles Collectivement Autocatalytiques (CAS pour Collectively Aucatalytic Sets en anglais) où chaque molécule de l'ensemble est formée catalytiquement par un autre membre de l'ensemble. Ici, nous utilisons le système de ribozyme Azoarcus, qui catalysent des réactions de recombinaisons, pour former expérimentalement des CASs structurellement divers afin d’explorer leurs propriétés évolutives. Dans ce système, les ribozymes peuvent catalyser la formation d'autres ribozymes à partir de fragments plus petits, présents dans l'environnement. Nous utilisons un dispositif de microfluidique en gouttes associé au séquençage haut-débit pour mener une étude à grande échelle sur des milliers de CASs Azoarcus. Nous développons une approche perturbative pour identifier les paramètres topologiques importants contrôlant les variations observées dans les CAS à la suite de perturbations de l’environnement, ici l'ajout d'une nouvelle espèce. Nous déterminons ensuite l’ensemble restreint de caractéristiques du réseau régissant la mémoire des conditions initiales dans les CASs Azoarcus, un prérequis pour l'hérédité, en utilisant un modèle théorique validé par des données expérimentales. Enfin, nous démontrons qu’il existe dans les CASs Azoarcus des processus cataboliques qui les rendent robustes aux perturbations des fragments qui composent leur substrat et donc plus pertinent d’un point de vue prébiotique. Ces résultats démontrent le rôle crucial des CASs à base d’ARN dans les origines de la vie et illustrent comment la structure de leur réseau peut être adaptée pour obtenir des CASs avec des propriétés intéressantes d’un point de vue évolutif, ouvrant la voie à une démonstration expérimentale de l'évolution darwinienne avec système purement moléculaire. / Networks of interdependent molecules are considered plausible candidates for initiating the transition from biology to chemistry. Though they have been intensively scrutinized theoretically, there is still no experimental evidence for confirming or denying their supposed crucial role in the origins of life. In particular, we are still lacking experimental proofs of any of the three ingredients usually presented as required for Darwinian evolution: heredity, variation and selection. A system that would possess the three while being coupled to some sort of encapsulated replication process would theoretically be able to undergo Darwinian evolution. As a matter of fact, this has been shown theoretically for Collectively Autocatalytic Sets (CAS) where each molecule of the set is catalytically formed by another member of the ensemble. Here we use the Azoarcus recombination ribozyme system to experimentally form structurally diverse CASs to explore their evolutionary properties. In this system, the ribozymes can catalyze the assembly of other ribozymes from smaller fragments, present in the food set. We first use a droplet microfluidics set-up coupled with next-generation sequencing to conduct a large scale study on thousands of Azoarcus CASs. We develop a perturbative approach to identify the important topological parameters that control variations in CASs as a result of environmental perturbations, here the addition of a new species. We then determine the small set of network features governing memory of the initial conditions in Azoarcus CAS, a pre-requisite for heredity, by using a computational model validated by experimental data. Finally, we demonstrate that Azoarcus CAS possess catabolic processes which make them robust to perturbations in the food set and thus more prebiotic relevant. These results provide evidence for the crucial role of RNA CASs in the origins of life and illustrate how the network structure can be tailored to obtain CASs with properties interesting from an evolutionary point of view, paving the way to an experimental demonstration of Darwinian evolution with a purely molecular system.

Le cholangiocarcinome intra hépatique (CCI) est une tumeur hépatique primitive développée aux dépens des canaux biliaires. Son pronostic est mauvais avec les traitements actuels qui augmentent peu la survie des patients. Sa cancérogénèse est complexe impliquant de nombreuses voies de signalisation dont la voie TGFβ. L’hypothèse du projet est l’implication des ARN longs non-codants (ARNlnc) comme médiateurs de la voie TGFβ dans le développement du CCI. Les objectifs de notre travail étaient d’identifier des ARNlnc régulés par le TGFβ et potentiels biomarqueurs diagnostiques ou pronostiques. Nous avons identifié une signature transcriptomique spécifique du TGFβ après stimulation de lignées cellulaires de CCI. Parmi les nouveaux gènes cibles, plusieurs ARNlnc ont été identifiés dont CASC15 renommé TLINC pour TGFβ-induced long intergenic non-coding RNA. TLINC aurait un rôle dans le remodelage du microenvironnement impliqué dans la cancérogénèse du CCI notamment par la régulation de l’IL8. Ce rôle pourrait s’exercer par l’interaction avec d’autres ARNlnc déjà identifiés dans le CCI e.g. NEAT1. TLINC est surexprimé dans les tumeurs humaines de CCI et pourrait constituer un biomarqueur diagnostique. Des isoformes circulaires de TLINC mises en évidence dans les tumeurs pourraient être détectables dans le sérum et constituer des biomarqueurs non invasifs. L’analyse transcriptomique d’une cohorte de patients divisée en 2 sous-groupes de pronostic différent a identifié une signature d’ARNlnc prédictive de la survie. L’ARNlnc ANRIL, déjà connu dans d’autres cancers, est un des ARNlnc qui pourrait constituer un biomarqueur pronostique. / Intrahepatic cholangiocarcinoma (ICC) is a primary liver tumor developed from bile ducts. ICC prognosis is poor with current treatments that slightly increase patient survival. ICC carcinogenesis is complex and involves multiple signaling pathways including TGFβ pathway. Our hypothesis relies on the involvement of long non-coding RNA (lncRNA) as mediators of TGFβ pathway in the development of ICC. The aim of the study was to identify and to characterize TGFβ regulated lncRNA as ICC potential diagnostic or prognostic biomarkers. We identified a specific transcriptomic signature after stimulation of ICC cell lines with TGFβ. Among the novel TGFβ target genes, several lncRNAs were identified including CASC15 renamed TLINC standing for TGFβ-induced long intergenic non-coding RNA. TLINC may play a role in the remodeling of an inflammatory microenvironment involved in ICC carcinogenesis, including the regulation of IL8. This role could be exerted by the interaction with other lncRNAs already identified in the ICC e.g. NEAT1. TLINC is overexpressed in human ICC tumors and may represent a relevant diagnostic biomarker. Circular isoforms of TLINC found in tumors may be detectable in serum and be noninvasive biomarkers. Transcriptomic analysis of tumors from a cohort of patients divided into 2 prognostic groups identified a lncRNAs signature predictive for survival. LncRNA ANRIL, already known to be upregulated in other cancers, is one of the lncRNAs that could be a prognostic biomarker in ICC.