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Structured RNAs and RNA-protein complexes (RNPs) are involved in many essential biological processes and the specific conformations of these RNAs are crucial to their various functions. However, in vitro studies have found that RNA has propensity for misfolding into inactive species that often consist of extensive secondary and tertiary interactions, which can be locally and globally stabilizing, resulting in long-lived non-native conformers. DEAD-box helicases are one class of proteins that have been found to accelerate folding and rearrangements of highly structured RNAs. While these proteins have been shown to use ATP to unwind short RNA helices, it is not known how they disrupt the tertiary interactions that often stabilize both native and misfolded RNA conformations. We used single molecule fluorescence to probe the mechanism by which DEAD-box proteins facilitate global unfolding of a structured RNA. DEAD-box protein CYT-19, a mitochondrial protein from Neurospora crassa, was found to destabilize a specific tertiary interaction with the Tetrahymena group I intron ribozyme using a helix capture mechanism. The protein molecule binds to a helix within the structured RNA only after the helix spontaneously loses its tertiary contacts, and then uses ATP to unwind the helix, liberating the product strands. Ded1, a multi-functional DEAD-box protein found in Saccharomyces cerevisiae, gives analogous results with small but reproducible differences that may reflect its in vivo roles. The requirement for spontaneous dynamics likely targets DEAD-box proteins toward less stable RNA structures, which are likely to experience greater dynamic fluctuations, and provides a satisfying explanation for previous correlations between RNA stability and CYT-19 unfolding efficiency. Biologically, the ability to sense RNA stability probably biases DEAD-box proteins to act preferentially on misfolded structures and thereby to promote native folding while minimizing spurious interactions with stable, natively-folded RNAs. In addition, this straightforward mechanism for RNA remodeling does not require any specific structural environment of the helicase core and is likely to be relevant for DEAD-box proteins that promote RNA rearrangements of RNP complexes including the spliceosome and ribosome. / text

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La Dystrophie Myotonique de type 1 (DM1) est cause par l’expansion anormale d’un triplet CTG dans la partie 3’UTR du gène DMPK, entrainant l’agrégation du transcrit mutant dans des inclusions ribonucléoprotéiques appelées foci. D’après plusieurs études structurales sur des courtes répétitions CUG, il a été proposé que les expansions CUG se replient en une structure en tige-boucle qui interfère avec l’activité de plusieurs facteurs lié au métabolisme de l’ARN et altère leur fonction cellulaire. Le facteur d’épissage muscleblind-like 1 (MBNL1) a été identifié par sa capacité à interagir avec les répétitions CUG. In vivo, ces répétitions entrainent la séquestration de cette protéine aboutissant en une déplétion nucléaire. Un autre facteur d’épissage, la CUG Binding protein (CUGBP1), est également impliqué dans la pathologie. Au lieu d’être séquestré par les répétitions, la stabilité protéique de CUGBP1 est augmentée dans les tissus DM1 entrainant un gain d’activité pour ce facteur. La séquestration de MBNL1 et la stabilisation de CUGBP1 résultent en la dérégulation de l’épissage alternatif de plusieurs transcrits musculaires et du cerveau et la réexpression d’isoformes protéiques fœtales dans les tissus adultes. Cependant, de récentes études suggèrent que d’autres facteurs ou voies de signalisation que celles faisant intervenir MBNL1 et CUGBP1 pourraient être impliquées dans la pathologie DM1.Le but de mon travail de thèse a été d’identifier de nouveaux facteurs ayant la capacité d’interagir avec les répétitions CUG. A l’aide d’une purification sur chromatographie d’affinité utilisant un ARN contenant 95 répétitions CUG comme appât, nous avons identifié l’ARN hélicase p68/DDX5. p68 fait partie de la famille des protéines DEAD-box, caractérisée par un core protéique conservé constitué de neufs domaines hautement conservés, dont le motif DEAD, à l’origine du nom de ces protéines. p68 est impliquée dans de nombreux aspects du métabolisme de l’ARN, dont la transcription, l’épissage, l’export, la traduction et la dégradation des ARN. Nous avons montré, que p68 colocalise avec les foci CUG dans un modèle cellulaire exprimant la partie 3’UTR du gène DMPK contenant de longues répétitions CTG. Nous avons identifié que p68 augmente l’interaction de MBNL1 sur les répétitions CUG et une structure secondaire particulière d’un élément régulateur de l’ARN pré-messager cardiac Troponin T (TNNT2), dont l’épissage est dérégulé dans la pathologie. L’insertion de mutations dans le core de l’hélicase de p68 abolit l’effet de p68 sur la fixation de MBNL1 ainsi que la colocalisation de p68 avec les expansions CUG in vivo, suggérant que le remodelage des structures secondaires ARN de manière ATP-dépendante par p68 facilite l’interaction de MBNL1. Nous trouvons également que la compétence de p68 pour réguler l’inclusion de l’exon alternatif 5 de TNNT2 dépend de l’intégrité des sites de fixation de MBNL1.Nous proposons que p68 agit comme un modificateur de l’activité de MBNL1 sur ces cibles d’épissage ainsi que sur les expansions CUG à l’origine de la pathologie. / Myotonic Dystrophy type I (DM1) is caused by an abnormal expansion of CTG triplets in the 3’ UTR of the DMPK gene, leading to the aggregation of the mutant transcript in nuclear RNA foci. Based on structural studies on short CUG repeats, it has been proposed that expanded CUG repeats fold into an imperfect hairpin structure that interferes with the activities of RNA binding proteins and alters their normal cellular function. The muscleblind-like 1 protein (MBNL1) was identified by its ability to bind to CUG repeats. It has been shown that the expanded mutant transcript promotes the sequestration of the MBNL1 splicing factor in nuclear RNA foci. CUGBP1 is another splicing factor that is involved in DM1. Instead of being sequestered by the repeats, the steady-state level of CUGBP1 is increased in DM1 tissues, leading to a gain of activity of the protein. The sequestration of MBNL1 and the up-regulation of CUGBP1 in DM1 results in the misregulation of alternative splicing of a subset of muscle and brain-specific transcripts, leading to the re-expression of fetal isoforms in adult tissues. However, several recent studies suggest that factors or signaling pathways other than MBNL1 and CUGBP1 could be involved in DM1 pathogenesis.The aim of this work was to isolate new factors that bind to CUG repeats. Using an affinity chromatography strategy with an RNA containing 95 pure CUG repeats, we identified the RNA helicase p68 (DDX5). p68 is a prototype of DEAD-box RNA helicase proteins. This family is characterized by a conserved core, consisting of nine conserved motifs including the DEAD signature, which gives rise to the name to these proteins. p68 is involved in many aspects of RNA metabolism including transcription, RNA processing, RNA export, translation and mRNA degradation. We showed that p68 colocalized with RNA foci in cells expressing the 3’UTR of the DMPK gene containing expanded CTG repeats. We found that p68 increased MBNL1 binding onto pathological repeats and the stem-loop structure regulatory element within the cardiac Troponin T (TNNT2) pre-mRNA, splicing of which is misregulated in DM1. Mutations in the helicase core of p68 prevented both the stimulatory effect of the protein on MBNL1 binding and the colocalization of p68 with CUG repeats, suggesting that remodeling of RNA secondary structure through a ATP-dependant manner by p68 facilitates MBNL1 binding. We also found that the competence of p68 for regulating TNNT2 exon 5 inclusion depended on the integrity of MBNL1 binding sites.We propose that p68 acts as a modifier of MBNL1 activity on splicing targets and pathogenic RNA.

Numerous essential cellular processes, such as gene regulation and tRNA processing, are carried out by structured RNAs. While in vitro most RNAs become kinetically trapped in non-functional misfolded states that render them inactive on a biologically-relevant time scale, RNAs folding in vivo do not share this same outcome. RNAs do indeed misfold in the cell; however, chaperone proteins promote escape from these non-native states and foster folding to functional conformations. DEAD-box proteins are ATP-dependent RNA chaperone proteins that function by disrupting structure, which can facilitate structural conversions. Here, studies with both local and global focuses are used to uncover mechanistic features of DEAD-box proteins CYT-19 and Mss116p. Both of these proteins are general RNA chaperones as they each have the ability to facilitate proper folding of multiple structured RNAs. The first study probes how DEAD-box proteins interact with a simple duplex substrate. Separating the strands of a duplex is an ATP-dependent process and is central to structural disruption by DEAD-box proteins. Here, how ATP is utilized during duplex separation is monitored by comparing ATP hydrolysis rates with strand separation rates. Results indicate that one ATP molecule is sufficient for complete separation of a 6-11 base pair RNA duplex. Under some conditions, ATP binding in the absence of hydrolysis is sufficient for duplex separation. Next, focus is shifted to a more global perspective as the function of Mss116p is probed in the folding of a cognate group II intron substrate, aI5[gamma], under near-physiological conditions. Three catalytically-active constructs of aI5[gamma] are used and catalysis serves as a proxy for folding. Folding of all constructs is promoted by the presence of Mss116p and ATP. In vitro and in vivo results indicate that a local unfolding event is promoted by Mss116p, stimulating formation of the native state. Lastly, orthogonal methods that probe physical features of RNA are used to provide insight into the structural intermediates with which Mss116p acts. / text

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As RNA helicases da família DEAD-box são enzimas que alteram as estruturas secundárias do RNA e auxiliam a formação de complexos ribonucleoproteicos, e são muito importantes em processos basais como a degradação dos RNAs e a biogênese dos ribossomos. A α-proteobactéria criotolerante Caulobacter crescentus é um modelo experimental interessante para compreender o papel destas enzimas em baixa temperatura. A caracterização fenotípica de linhagens mutantes simples de quatro RNA helicases DEAD-box permitiu demonstrar que a RNA helicase RhlE é necessária para o crescimento em baixa temperatura. Os mutantes duplos mostraram redução do crescimento à temperatura normal e em baixa temperatura, com perda de viabilidade e alterações morfológicas. Através de ensaios de complementação cruzada mostrou-se que seus papéis fisiológicos são até certo ponto redundantes. O mutante rhlE também apresentou redução na formação de biofilme. A medida da expressão relativa dos genes que codificam as RNA helicases mostrou um aumento na expressão de três destes genes em estresse frio, e a análise dos perfis ribossomais mostrou a possível participação destas três RNA helicases na biogênese do ribossomo. / The RNA helicases of the DEAD-box family are enzymes that modify RNA secondary structures and help the formation of ribonucleoprotein complexes, and are very important in basal processes such as RNA degradation and ribosome biogenesis. The cryotolerant α-proteobacterium Caulobacter crescentus is an interesting experimental model to understand the role of these enzymes at low temperature. The phenotypic characterization of strains with single mutations of four DEAD-box RNA helicases showed that RNA helicase RhlE is required for growth at low temperature. The double mutants showed reduction in growth at both normal and low temperatures, with loss of viability and morphological changes. Through cross-complementation assays it has been shown that their physiological roles are to some extent redundant. The rhlE mutant also showed reduction in biofilm formation. The relative expression of the genes encoding the RNA helicases showed an increase in the expression of three of these genes under cold stress, and the analysis of the ribosomal profiles showed the possible participation of these three RNA helicases in ribosome biogenesis.

L'ARN génomique du Virus de l'Immunodéficience Humaine-1 (VIH-1) est multifonctionnel. Il constitue le génome encapsidé dans les virions et sert d'ARN messager pour la traduction des protéines virales Gag et Gag-Pol. La traduction de ces protéines dépend exclusivement de la machinerie traductionnelle cellulaire et est initiée par deux mécanismes différents : l'initiation canonique dépendante de la coiffe et l'initiation par entrée interne des ribosomes (IRES). Le VIH-1 présente deux IRES, l'un dans la région 5' non traduite (5'-UTR) qui est stimulé en phase G2/M du cycle cellulaire et l'autre dans la région codante de Gag. Ce dernier permet l'initiation de la traduction sur deux AUG en phase et conduit à la production de la protéine Gag pleine longueur mais également à la production d'une isoforme alternative de Gag, tronquée en région N-terminale. Le rôle de cette isoforme reste mal connu. Toutefois la mutation du second AUG chez VIH-1 et donc la suppression de la seconde isoforme de Gag provoque une diminution importante du taux de la réplication virale. La conservation structurelle et fonctionnelle de l'IRES Gag parmi les lentivirus suggère un rôle important de cette isoforme et de l'IRES gag dans le cycle viral. Nos travaux visent à comprendre à un niveau moléculaire les relations hôtes-pathogènes lors de la traduction des messagers viraux. Je me suis particulièrement intéressée aux rôles de la sous unité ribosomale 40S et de l'hélicase cellulaire DDX3 dans l'initiation de la traduction de la polyprotéine Gag du VIH-1. La première partie de ma thèse est consacrée à l'étude de l'interaction entre la sous unité ribosomale 40S et l'IRES gag du VIH-1. Par l'utilisation d'approches complémentaires, nous avons pu démontrer la présence de deux sites distincts de liaison au ribosome qui sont présents à proximité des deux codons d'initiation. Nous avons ensuite évalué à la fois in vitro et in cellulo (en collaboration avec l'équipe de T. Ohlmann, CIRI-ENS-Lyon) l'effet de la délétion de chacun des sites de liaison au 40S sur l'efficacité de traduction de la polyprotéine Gag. Nos résultats valident l'importance fonctionnelle des sites de liaison au ribosome pour une production optimale des deux isoformes de la polyprotéine Gag. La seconde partie de mon travail a consisté à définir le rôle de DDX3 dans l'initiation « coiffe-dépendante » de la traduction de la polyprotéine Gag. DDX3 est une hélicase à ARN à boîte DEAD impliquée dans de nombreux processus cellulaires tels que la régulation du cycle cellulaire et la réponse immunitaire innée mais également dans tous les aspects du métabolisme de l'ARN comme la transcription, l'épissage, l'export nucléaire ou encore la traduction. Plus récemment, il a été montré que DDX3 est nécessaire à la traduction de l'ARN génomique du VIH-1, cependant son rôle exact n'a pas encore été défini. Nous avons purifié une forme recombinante de la protéine en fusion avec la MBP (Maltose Binding Protein) et effectué des cinétiques enzymatiques afin de caractériser ses propriétés biochimiques. Contrairement à ce qui a été précédemment décrit, nos résultats montrent que DDX3 possède une activité ATPase strictement ARN-dépendante avec des constantes cinétiques similaires à celles de son homologue chez la levure, Ded1p. Nous avons également évalué l'activité hélicase de la protéine en présence de substrats de longueur et de nature variables (duplex ARN/ARN ou des hétéroduplex ADN/ARN). D'un point de vue fonctionnel, nous avons réalisé une première série d'expériences qui confirme la stimulation exercée par DDX3 sur la traduction de Gag in vitro. Ces résultats permettent d'envisager la caractérisation biochimique fine des interactions DDX3-ARN viral ainsi que de disséquer le rôle de DDX3 dans l'expression du génome viral. / The Human Immunodeficiency Virus (HIV) genomic RNA is multifunctional. It acts both as a genome that is packaged within virions and as messenger RNA translated to yield the Gag and Gag-Pol polyproteins. The translation of these proteins relies exclusively on the cellular translation machinery and is initiated through two mechanisms: the canonical cap-dependent initiation pathway and the use of internal ribosome entry sites (IRESes). HIV-1 has two IRESes, one located within the 5' UTR (5' UnTranslated Region) that is stimulated during the G2/M phase of the cell cycle, and the other embedded within the Gag polyprotein coding region. The later drives translation initiation from two AUG in frame and results in the production of the full-length Gag protein but also of an additional N-terminally truncated Gag isoform. Few things are known about this isoform, but the mutation of the second AUG causes a significant decrease in the rate of viral replication. The structural and functional conservation of Gag IRES among lentiviruses suggests an important role of this isoform and thus of the IRES in the viral cycle. Our work aims to understand at a molecular level the host-pathogen relationships in the translation of the viral messenger RNA. My work focused on the roles of the 40S ribosomal subunit and of the cellular helicase DDX3 in the translation initiation of Gag. During the first part of my Phd, I studied the interaction between the 40S ribosomal subunit and HIV-1Gag IRES. Following complementary approaches, we evidenced two distinct ribosome binding sites present close to the two the initiation sites of Gag. Then, we evaluated the effect of each 40S binding site deletion on Gag translation efficiency, both in vitro and in cellulo (in collaboration with the team of T. Ohlmann, CIRI-ENS-Lyon). Taken together, our results confirm the functional relevance of the two ribosomal binding sites to ensure optimal production of the two Gag isoforms. The second part of my Phd project aims to define the role of DDX3 in the translation initiation of Gag. DDX3 is a RNA DEAD-box helicase involved in many cellular processes such as cell cycle regulation and the innate immune response but also in all aspects of RNA metabolism such as transcription, splicing, mRNA nuclear export and translation. Recently DDX3 has been shown to favor HIV-1 Gag translation. To define its role, we first purified a recombinant form of the protein and performed kinetic experiments to analyze its biochemical properties. Contrary to what has been previously described, MBP-DDX3 displays a strictly RNA-dependent ATPase activity with kinetic constants similar to those displayed by its yeast counterpart Ded1p. We next evaluated MBP-DDX3 helicase activity towards RNA duplexes or RNA/DNA hybrids, with different length and single strand overhangs. Our preliminary results indicate that DDX3 alone is sufficient to enhance Gag translation in our in vitro system which paves the way to fine biochemistry experiments such as reconstruction of functional initiation complexes assembled onto Gag RNA and evaluation of its role on Gag RNA structure.

Chez Arabidopsis thaliana, le silencing transcriptionnel est associé notamment aux modifications post-traductionnelles des queues des histones et à la méthylation des cytosines en contexte CG, CHG et CHH (où H peut être indifféremment T, A ou C). Plusieurs voies indépendantes conduisent à la méthylation de l’ADN en tout contexte via les méthyltransférases. A contrario, ROS1, une ADN déméthylase, « élague » les profils de méthylation et prévient ainsi d’une hyperméthylation du génome. Or, de façon intéressante, plusieurs mutants impliqués dans les voies de méthylation de l’ADN voient l’expression du gène ROS1 diminuer, ce qui trahit l’existence d’une boucle de rétrocontrôle négative entre les voies de méthylation et de déméthylation de l’ADN. Nous avons donc réalisé un crible génétique afin d’identifier un régulateur de l’expression de ROS1. Pour cela, nous avons utilisé une lignée pROS1:GUS constituée du gène rapporteur de la glucuronidase sous contrôle du promoteur de ROS1. Dans le fond mutant nrpd1a-4, le gène de ROS1 et de la glucuronidase sont sous-exprimés. Le crible consiste alors à identifier un mutant qui relâche l’expression de la glucuronidase et de ROS1 dans le fond mutant nrpd1a-4. Six mutants présentent une expression de la glucuronidase plus forte que le témoin pROS1:GUS dans le fond nrpd1a-4. Cependant, contrairement à ce qui était attendu, l’expression de ROS1 endogène est plus basse encore que chez pROS1:GUS dans le fond nrpd1a-4.Face à ses résultats, nous avons alors réorienté la thèse vers l’étude d’une voie de contournement du silencing des éléments répétés. En effet, lorsque l’on applique un stress thermique de 37°C durant 24h, l’on observe un relâchement du silencing de ces derniers. Toutefois, aucune modification épigénétique connue ne semble être impliquée. Pour étudier ce phénomène, nous disposons d’une lignée L5 qui, dans des conditions normales de culture, voit son transgène soumis aux mécanismes de silencing. Parce que la construction L5 comprend plusieurs répétitions de la glucuronidase sous contrôle du promoteur 35S, elle est alors assimilée à n’importe quel autre élément répété et, à ce titre, se retrouve être également exprimée après stress thermique. L’équipe a alors réalisé un crible sur cette lignée et a mis en évidence 3-1S, un mutant qui est déficient dans le relâchement du silencing à 37°C. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence que le phénotype de 3-1S est dû à une mutation de RH35, une hélicase ARN à boîte DEAD. D’autre part, nos résultats montrent que le gène RH35 est exprimé plus fortement à 37°C et sa protéine présente, en outre, une relocalisation dans ces conditions de stress. RH35 serait, en fait, impliquée de manière plus globale dans le métabolisme des ARN en réponse au stress thermique et jouerait également un rôle dans la réponse au stress thermique et salin. / In Arabidopsis thaliana, transcriptional silencing is associated with histone tail post-translational modifications and cytosine modifications in CG, CHG and CHH contexts (where H can be indifferently T, A or C). Numerous independent pathways lead to DNA methylation in all contexts through méthyltransférases. Conversely, the DNA demethylase ROS1 “prunes” methylation profiles and prevents genome hypermethylation. Interestingly, several mutants which are involved in DNA methylation pathways present a decrease in ROS1 gene expression, what reveals the existence of a negative feedback loop between DNA methylation and demethylation pathways. A genetic screening was carried out in order to find a ROS1 regulator. To do this, pROS1:GUS line, which carries the glucuronidase reporter gene under ROS1 promoter, was used. In the nrpd1a-4 mutant, ROS1 and glucuronidase genes are underexpressed. The screen consisted to find a mutant which release glucuronidase and ROS1 gene expression in nrpd1a-4 mutant background. Six mutants presented a higher expression of the glucuronidase than the pROS1:GUS control in nrpd1a-4 background. However, unlike what it was expected, endogene ROS1 expression is even lower than what we have for pROS1:GUS in nrpd1a-4 background.In view of these results, the thesis was redirected toward the study of the silencing circumvention pathway of the repeated elements. Indeed, when heat stress at 37°C during 24h is applied, a release of silencing is observed for repeated elements. Nevertheless, no known epigenetic modifications seem to be involved. To study this phenomenon, we used a L5 line. Its transgene is silenced in standard conditions. Because L5 construct is composed by several glucuronidase repetitions under 35S promoter, it is considered as any other repeated elements and, for this reason, it is also expressed after heat stress. The team performed a genetic screen on this line and found 3-1S, a mutant which is deficient in the release of silencing at 37°C. On the one hand, we demonstrated that 3-1S phenotype is due to a mutation in RH35 DEAD box RNA helicase. On the other hand, our results revealed that RH35 gene is expressed at 37°C and its protein is relocated in heat stress conditions. In fact, RH35 would be involved more globally in RNA metabolism and would play a role in heat and salt stress.