L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail. / Deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) are polymers of nucleotides essential for the survival of the cell. Contrary to DNA, whose main role is to store genetic information, RNA is involved in multiple metabolic processes. For example, RNA is involved in the transfer of information from DNA to protein, the processing and modification of other RNAs, the regulation of gene expression, the end-maintenance of chromosomes, and the sorting of proteins within the cell. This functional versatility of RNA comes from its structural diversity. Our laboratory developed MC-Fold, an algorithm that predicts RNA structures by representing them with nucleotide interaction graphs. The nodes in these graphs represent the nucleotides, and the edges the interactions between them. Our laboratory also observed that a limited number of interaction cycles can define the structure of any RNA motif. The formation of these cycles is determined by the nucleotide sequence and MC-Fold determines the most likely cycles based on that sequence. In this Master Degree project, I first built a database of structural and functional RNA motifs, bdMotifs, based on their constituent cycles. Then, I implemented an algorithm, MC-Motifs, which detects motifs within interaction graphs generated either by MC-Fold or by any other method. Finally, I validated my algorithm on known RNA structures such as the 5S, 16S and 23S ribosomal RNA (rRNA) and predicted structure of riboswitches. The Master thesis is divided into five chapters. The first chapter presents the chemical structure of RNA, its cellular functions and the structural folding of the polymer. In the second chapter, the database bdMotifs is described. In the third chapter, the MC-Motifs algorithm is introduced. In the fourth chapter, I present the results of MC-Motifs. Finally, in the last chapter, I discuss theses results and I give a conclusion on the project.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les protéines capables de lier des ARNs sont essentielles pour les différentes étapes de maturation de l'ARN messager (ARNm), en dirigeant leur localisation et leur devenir dans la cellule, et en formant avec les ARNs des particules ribonucléoprotéiques (mRNPs). Les mRNPS peuvent former des structures cellulaires dynamiques qui sont adressées vers des fonctions spécifiques. Ces granules, tels que les granules de stress formés suite à un stress cellulaire, contiennent des ARNm dont la traduction est inhibée et qui sont stockés transitoirement. Ma thèse a consisté en la caractérisation fonctionnelle de G3BP (RasGAP SH3 binding protein), une RBP exprimée de façon ubiquitaire chez l'homme et la souris, et impliquée dans l'assemblage des granules de stress. Par recombinaison homologue classique, des souris knock-out pour G3BP ont été générées. Ces souris ont une espérance de vie faible et des défauts du comportement associés au Système Nerveux Central, en particulier un phénotype de type ataxie. Des expériences d'électrophysiologie ont aussi montré une altération de la plasticité synaptique dans l'hippocampe des souris KO. J'ai donc réalisé des expériences d'immunoprécipitation après cross-link (Cross-Linking and Immunoprecipitation, CLIP) pour purifier à partir de cerveau de souris un complexe stable contenant G3BP, et les ARNs associés ont été identifiés par séquençage haut débit (High-Throughput Sequencing, HITS-CLIP). De façon surprenante, la plupart des cibles de G3BP correspondent à des transcrits codants mais qui contiennent des séquences introniques, et des ARNs non codants. De plus, mes résultats ont montré que l'absence de G3BP1 affecte la stabilité de ces transcrits pré-matures spécifiquement dans le cervelet, ce qui peut être corrélé au phénotype d'ataxie des souris KO G3BP1. Cela suggère un nouveau mécanisme de régulation qui passe par la stabilisation de transcrits pré-matures, qui pourraient être convertis en transcrits matures par exemple lors d'un stress et de la séquestration de G3BP dans les granules. / RNA binding proteins (RBPs) are essential in the different steps of processing of the messenger RNAs (mRNAs), directing their localization and fate within the cell, and forming with them the ribonucleoprotein particles (mRNPs). mRNPs can assemble into dynamic cellular structures in which they are routed towards specific functions. RNA granules such as stress granules (SGs) contain translationally silenced mRNPs storing transiently repressed mRNAs.My thesis work consisted in the functional characterization of G3BP (RasGAP SH3 binding protein), an RBP that is expressed ubiquitously in both humans and mice and is involved in the assembly of SGs. Using classical homozygous recombination, viable G3BP1 knock out mice were generated that demonstrated short lifespan.and behavioral defects linked to the Central Nervous System (CNS), notably an ataxia phenotype. Electrophysiology experiments showed an alteration of synaptic plasticity in the hippocampus of KO mice. Therefore, I used Cross-Linking and Immunoprecipitation (CLIP) to purify from mouse brain a stable complex containing G3BP, and performed High-Throughput Sequencing (HITS-CLIP) to identify associated RNAs. Strikingly, most of the G3BP targets correspond to intron sequence-retaining transcripts and non-coding RNAs. My results also showed that G3BP1 depletion influences the stability of these premature transcripts in the cerebellum, which can be correlated to the ataxia phenotype of the G3BP1 KO mice. This comprehensive analysis suggests a new mechanism of gene regulation based on stabilization of silenced premature transcripts which might be converted to mature transcripts under stress condition and sequestration of G3BP in SGs.

Chez la majorité des eucaryotes, les petits ARN (miRNA et siRNA) jouent des rôles essentiels au cours du développement, dans les réponses adaptatives aux stress, et dans la maintenance de la stabilité génétique. Les plantes codent quatre enzymes RNaseIII de type DICER-LIKE (DCL). DCL1, produit les miRNAs, tandis que DCL2, DCL3 et DCL4 produisent des siRNAs des tailles diverses. Les plantes codent également des enzymes appelées RNASE-THREE-LIKE (RTL) auxquelles il manque certains domaines spécifiques aux DCLs, et dont la fonction est largement inconnue.Des plantes sur-exprimant RTL1 montrent des défauts morphologiques, et n'accumulent pas les siRNAs produits par DCL2, DCL3 ou DCL4, indiquant que RTL1 est un suppresseur général des voies de siRNA chez les plantes. L’activité de RTL1 nécessite un domaine RNaseIII fonctionnel. RTL1 ne s'exprime naturellement que faiblement dans les racines, mais l'infection virale induite fortement son expression dans les feuilles, ce qui suggère que l’induction de RTL1 est une stratégie générale utilisée par les virus pour contrer la défense antivirale basée sur siRNAs. En accord avec cette hypothèse, les plantes transgéniques sur-exprimant RTL1 sont plus sensibles à l'infection par le TYMV que des plantes de type sauvage, probablement parce que RTL1 empêche la production des siRNAs dirigés contre les RNA viraux. Cependant, les plantes transgéniques sur-exprimant RTL1 ne sont pas plus sensibles à l'infection par le TCV, TVCV ou le CMV, qui codent les suppresseurs de RNA silencing (VSR) plus puissants que le TYMV. En effet, le VSR de TCV inhibe l'activité de RTL1, suggérant que l'induction de l’expression de RTL1 par les virus et l’amortissement de l’activité de RTL1 par leurs VSRs est une double stratégie permettant d’établir une infection avec succès. Des plantes sur-exprimant RTL2 ou des mutants rtl2 ne montrent aucun défaut morphologique, et ne montrent pas de changement majeur du répertoire des petits ARNs endogènes. Toutefois, la sur-expression de RTL2 augmente l’accumulation des petits ARNs exogènes dans des essais d’expression transitoire, et cette activité nécessite un domaine RNaseIII fonctionnel. Il est donc possible que RTL2 clive certains substrats pour faciliter l’action des enzymes DCL. / Small RNAs, including miRNA and siRNA, play essential regulatory roles in genome stability, development and stress responses in most eukaryotes. Plants encode four DICER-LIKE (DCL) RNaseIII enzymes. DCL1 produces miRNAs, while DCL2, DCL3 and DCL4 produce diverse size classes of siRNA. Plants also encode RNASE THREE-LIKE (RTL) enzymes that lack DCL-specific domains and whose function is largely unknown. Arabidopsis plants over-expressing RTL1 exhibit morphological defects and lack all types of small RNAs produced by DCL2, DCL3 and DCL4, indicating that RTL1 is a general suppressor of plant siRNA pathways. RTL1 activity requires a functional RNaseIII domain. RTL1 is naturally expressed only weakly in roots, but virus infection strongly induces its expression in leaves, suggesting that RTL1 induction is a general strategy used by viruses to counteract the siRNA-based plant antiviral defense. Accordingly, transgenic plants over-expressing RTL1 are more sensitive to TYMV infection than wild-type plants, likely because RTL1 prevents the production of antiviral siRNAs. However, TCV, TVCV and CMV, which encode stronger suppressors of RNA silencing (VSR) than TYMV, are insensitive to RTL1 over-expression. Indeed, TCV VSR inhibits RTL1 activity, suggesting that inducing RTL1 expression and dampening RTL1 activity is a dual strategy used by viruses to establish a successful infection. Plants over-expressing RTL2 and rtl2 mutants do not exhibit morphological defects and do not show major changes in the endogenous small RNA repertoire. However, RTL2 over-expression enhances the accumulation of exogenous siRNAs in transient assays, and this activity requires a functional RNaseIII domain. Therefore, it is possible that plant RTL2 processes certain substrates to facilitate the action of DCL enzymes.

L’expression des gènes mitochondriaux est grande partie dirigée par des protéines codées dans le noyau et importées dans l’organite depuis le cytosol. Diverses études ont montré que les protéines de la famille PentatricoPeptide Repeat (PPR) jouent un rôle prépondérant et varié dans ce phénomène. Au cours de ma thèse, j’ai déterminé la fonction de deux nouvelles protéines PPR chez Arabidopsis thaliana, nommées MTSF1 (pour Mitochondrial Stability Factor 1) et PPR24. Chacune de ces protéines est impliquée dans l’expression d’un ARNm mitochondrial codant une sous-unité du complexe I de la chaine respiratoire. J’ai montré que la protéine MTSF1 était requise pour stabiliser l’ARN mitochondrial nad4. Le site de liaison de MTSF1 a été déterminé et il correspond aux vingt derniers nucléotides de l’ARN nad4. Nous pensons donc qu’en s’associant à l’extrémité 3’ terminale de cet ARN, la protéine MTSF1 bloque la progression d’exoribonucléases 3’-5’ et stabilise ainsi l’ARN nad4 in vivo. L’étude de la protéine PPR24 nous a conduit à observer qu’elle était essentielle à la traduction de l’ARNm mitochondrial nad7. J’ai pu démontrer que la protéine NAD7 n’était pas synthétisée chez les mutants ppr24 et que cela était associé à l’absence de ribosomes sur l’ARNm nad7. J’ai aussi montré que la protéine PPR24 pouvait se lier spécifiquement à une courte région située au milieu de la 5’ UTR de l’ARN nad7. La modélisation de la 5’ UTR de cet ARN indique que ce site de liaison se situerait à la base d’une structure en tige-boucle pouvant diminuer fortement l’accessibilité au codon initiateur de la traduction de l’ARN nad7. Il est donc possible que la fixation de la protéine PPR24 puisse déstabiliser cette structure en tige-boucle et permettre aux ribosomes mitochondriaux d’accéder plus facilement au codon AUG. L’ensemble de ces études a permis d’apporter des informations essentielles sur la fonction et le mode d’action des protéines PPR dans l’expression génétique mitochondriale chez les plantes. / Gene expression in mitochondria is for the most controlled by nuclear encoded proteins that are from the cytosol into the organelle. Recent genetic and biochemical analysis have revealed that proteins of the PentatricoPeptide Repeat (PPR) family play preponderant and multifarious role in this process. During my thesis, I characterized the function of two novel Arabidopsis thaliana PPR protein called MTSF1 (for Mitochondrial Stability Factor 1) and PPR24. Each of these proteins is involved in the expression of a single mitochondrial gene encoding respiratory complex I subunit. I showed that the MTSF1 protein is essential for the stabilization of nad4 mRNA. The MTSF1 binding site was determined and was shown to correspond to the last twenty nucleotides of nad4 3’ UTR. We propose that, through an interaction with the extremity of nad4 transcript, the MTSF1 protein blocks the progression of 3’ to 5’ exoribonucleases and protects nad4 mRNA from degradation in vivo. PPR24 analysis indicated that this PPR protein is essential for nad7 mRNA translation. I observed that the NAD7 protein is not produced in ppr24 mutants and that this correlated with lack of ribosome loading of nad7 mature mRNA. I also showed that PPR24 binds to a short RNA fragment with high specificity located in the center of nad7 5’ leader. Structural predictions indicated that PPR24 binding site could correspond to the basis of a long stem-loop RNA structure just upstream of the AUG codon, which could prevent the accessibility to the nad7 translation codon. PPR24 binding could destabilize this stem-loop structure and permit a better access of the ribosome to the nad7 translation initiation codon. These findings shed light on the function and the mode of action of PPR proteins involved in mitochondrial gene expression in plants.

La machinerie d'assemblage HSP90/R2TP est impliquée dans la biogenèse de complexes essentiels à l'expression génique et à la croissance cellulaire. Le complexe est constitué des protéines PIH1D1, RPAP3 et des AAA+ ATPases RVB1 et RVB2. Le R2TP, via son adaptateur NUFIP, permet l'assemblage de complexes ribonucléoprotéiques tels que les snoRNP à boîtes C/D, et le snRNP U4, tous deux impliqués respectivement dans la maturation des ARNr et ARNm. Le mode d'action du R2TP dans ces processus n'était pas bien compris. Pour étudier cela, une approche de protéomique, avec des tests d'interaction ARN/protéine et protéine/protéine, ainsi qu'une approche structurale, ont été utilisés. Un nouveau modèle a ainsi été établi. Le R2TP permettrait de former des pré-complexes d'assemblage contenant les protéines cœurs du complexe RNP avec des facteurs d'assemblage mais sans l'ARN. Les protéines RVB se détacheraient du R2TP pour rester associées à ce pré-complexe d'assemblage, par la suite, elles permettraient de le stabiliser tout en y incorporant de nouvelles protéines cœurs, et en relargant des facteurs d'assemblage ayant déjà accompli leur fonction dans le processus de biogenèse. Cette fonction de chaperon moléculaire des complexes en cours d'assemblage est très probablement régulée par hydrolyse de l'ATP par les ATPases RVB, et ceci sous le contrôle de co-facteurs, comme potentiellement la protéine BCD1. Dans le cas de l'assemblage des C/D snoRNP, il a été établi un modèle d'assemblage dans lequel le rôle des différents facteurs d'assemblage peut être prédit. ZNHIT3 aurait un rôle dans l'incorporation du snoARN naissant dans le pré-complexe, et NUFIP permettrait de garder la particule immature dans une conformation inactive afin de faciliter l'obtention de la structure active du snoRNP grâce aux RVB. Avec les travaux sur la biogenèse de la particule U4, il a été mis en évidence l'existence d'un pré-complexe cytoplasmique contenant PRP31/NUFIP/R2TP/complexe SMN qui serait important pour l'assemblage de la snRNP U4 avec non seulement les protéines Sm, mais aussi la protéine PRP31. / The HSP90/R2TP machinery is involved in the biogenesis of essential complex for gene expression and cell growth. The complex consists of proteins PIH1D1, RPAP3 and the AAA+ ATPases RVB1 and RVB2. The R2TP, via its NUFIP adaptator, allows assembly of ribonucleoprotein complexes like box C/D snoRNP, and the U4 snRNP, both involved in the maturation of mRNA and rRNA respectively. The mode of action of R2TP in these processes is not well understood. In this study, a proteomic approach, with tests of interaction RNA/protein and protein/protein and a structural approach, were used. A new model has been established. The R2TP would form an assembly pre-complex containing RNP core proteins with assembly factors but not RNA. RVB proteins detach from R2TP to remain associated with the assembly pre-complex, and then, would stabilize it while incorporating new core proteins. They would also release assembly factors that already have accomplished their function in the biogenesis process. This function of molecular chaperone complex during assembly is most likely regulated by ATP hydrolysis by the RVB ATPases, and this under the control of co-factors as potentially BCD1 protein. In the case of the assembly of box C/D snoRNP, it was established an assembly model in which the roles of the various assembly factors can be predicted. ZNHIT3 has a role in the incorporation of the nascent snoRNA in the pre-complex and NUFIP would keep the immature particle into an inactive conformation to facilitate the formation of the active structure of the snoRNP through RVB. With the study of the biogenesis of the U4 particle, it was revealed the existence of a cytoplasmic pre-complex containing PRP31/NUFIP/R2TP/SMN complex that would be important for the assembly of the U4 snRNP with not only Sm protein but also the PRP31 protein.

En réponse à son environnement composé de signaux endogènes et exogènes, une cellule doit pouvoir adapter son transcriptome, et cela à travers une modulation fine de l'expression de ses gènes. Les mécanismes permettant une telle adaptation reposent sur de multiples paramètres, entre autre l'organisation du génome, que ce soit au niveau de sa séquence primaire ou de son organisation au sein de la chromatine qui est un support pour l'intégration de nombreuses informations (structurelles et épigénétiques). De plus, l'organisation tridimensionnelle du noyau cellulaire apporte des contraintes physiques et fonctionnelles qui contribuent également à ces régulations. Afin de comprendre comment toutes ces informations peuvent être intégrées lorsqu'un signal régule la transcription d'un ensemble de gènes colinéaires («cluster» de gènes), nos études se sont focalisées sur la description et dissection des mécanismes impliqués dans la régulation coordonnées de gènes œstrogéno-dépendant par le récepteur aux œstrogènes (ER) et ses facteurs pionniers (FOXA1, FOXA2 et GATAs) dans des cellules cancéreuses d'origine mammaire. Dans ce cadre, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au cluster TFF, situé sur le bras long du chromosome 21, incluant le gène modèle TFF1, en utilisant des techniques d'analyse à grande échelle (ChIP-chip, ChIP-seq, 4C et analyses transcriptomiques). / A given cell has to be able to adapt its fate and homeostasis in response to endogenous and exogenous signals. This adaptation occurs through finely tuned regulations of genes' expressions leading to the variation of their transcriptomes. Multiple parameters have to be integrated in order to provide such mechanisms of regulation. First, the primary sequence of the genome and its organization into chromatin are major regulatory components that harbor genetic, structural and epigenetic information. Second, the three-dimensional organization of the genome into the nucleus brings both physical and functional constraints that also contribute towards these regulatory processes. Here, we engaged a work aiming to understand and dissect how these several levels of information are integrated during the transcriptional regulation of colinear genes (cluster of genes) by the same signal. We took as a model the coordinated regulation of the estrogen-sensitive TFF cluster driven by the estrogen receptor (ER) and its pioneering factors (FOXA1, FOXA2 and GATAs) in mammary cancer cells. This cluster is located within the long arm of the chromosome 21, and contains the gene model termed TFF1. We used large-scale methods (ChIP-chip, ChIP-seq, 4C and microarray transcriptomic analyses) to decipher these dynamic mechanisms.

Comme pour la plupart des virus à ARN+, le VHC induit des remaniements membranaires appelés membranous web. Les protéines non structurales virales formant le complexe de réplication du virus sont associées à ces membranes néosynthétisées. La compréhension de la mise en place de ces membranes cellulaire est encore actuellement mal connue. Afin d’étudier ce phénomène, nous avons dans un premier temps sélectionné des clones cellulaires Huh7.5 hébergeants un réplicon sous-génomiquedu virus. Nous avons ainsi pu mettre en évidence la présence d’un réseau multivésiculaire semblant provenir de l’induction de mécanismes d’autophagie. Plus récemment l’utilisation du modèle de propagation du virus complet nous a permis de mieux caractériser ce réseau multivésiculaire en déterminant trois sous réseaux vésiculaires structuralement différents. L’analyse de cette étude est effectuée principalement par microscopie électronique avec des techniques innovantes tels que la reconstruction tridimensionnelle et des immunogolds. / As other RNA viruses, HCV induces membrane alterations termed membranous web and its nonstructural proteins forming the viral replication complex are associated to these neo-synthesized membranes. The mechanism underlying these host cell membranes alterations is still currently unknown. To investigate this mechanism, we initially selected Huh7.5 cells clones harbouring a HCV subgenomic replicon. We were able to demonstrate the presence of a multivesicular network apparently linked to the autophagy induction mechanisms. More recently, using the cell culture-adapted HCVsystem, we better characterized this network by determining three multivesiculars vesicles structurally different subnets. This study was carried out mainly by performing electron microscopy observations,with using innovative techniques such as three-dimensional reconstruction and immunogold.