La régulation de l'expression des gènes est à la base de tous processus cellulaires tels que la différenciation, la migration, la réponse aux dommages, la survie et l'apoptose. La compréhension globale des mécanismes cellulaires passe donc par l'étude de la transcription. Définir les rôles, fonctions ainsi que les voies de signalisation pour chacun des facteurs de transcription d'une cellule est maintenant un incontournable dans la poursuite de la compréhension du génome humain. Les travaux de cette thèse cadrent dans cette optique en concentrant nos efforts sur la caractérisation des facteurs de transcription ± nuclear factor I ¿ (NFI). Nous démontrons, entre autre, la première preuve de liaison directe d'un répresseur au promoteur du gène p21. Cette répression exercée par les NFI est essentielle à la bonne progression du cycle cellulaire dans les cellules en prolifération, tout en permettant l'expression basale de p21. Nous avons aussi caractérisé les mécanismes de régulation des facteurs de transcription Spl, Sp3 et NFI sur le promoteur de l'intégrine α6, en présence de laminine et de la fibronectine. Nos résultats suggèrent une répression de l'expression de l'intégrine a6 par la liaison de NFI et la diminution des facteurs Spl et Sp3 en présence de laminine, pour ainsi expliquer les mécanismes de migration et prolifération cellulaire dans un modèle de cicatrisation cornéenne. Finalement, nous examinons l'étendue de la liaison des facteurs NFI dans les kératinocytes humains de peau, par une analyse globale d'immunoprécipitation de chromatine couplée aux puces à ADN îlots CpG, dans le but d'établir une meilleure compréhension des voies de signalisation dans lesquelles les facteurs de transcription NFI sont impliqués. Ces analyses permettront de mieux comprendre les mécanismes de régulation de la transcription, particulièrement en ce qui a trait à la régulation par les facteurs de transcription NFI

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 mars 2024) / La biogenèse des ribosomes est un processus cellulaire important qui se produise dans le nucléole et qui nécessite la participation des trois ARN polymérases nucléaires. L'étape initiale et limitante de ce processus est la transcription de l'ARN ribosomal précurseur (pré-ARNr/47S) contenant les ARN 28S, 18S et 5,8S par l'ARN polymérase I (RPI, également connue sous le nom de Pol1 et POLR1). RPI dispose d'un ensemble dédié de facteurs basaux responsables pour son action : le facteur architectural UBF ou UBTF, le facteur SL1, le facteur d'initiation RRN3 et le facteur de terminaison TTF1. La synthèse de l'ARN ribosomal est étroitement régulée et représente 40 % de la transcription totale des gènes. Le déséquilibre de la synthèse de l'ARN ribosomal a été observé dans de nombreuses maladies comme le cancer. Par conséquent, ce processus est lié à la croissance, la transformation, la prolifération cellulaire et aux actions des suppresseurs de tumeurs et des oncogènes. Par conséquent, l'étude de la régulation transcriptionnelle des ARN ribosomiques revêt une importance cruciale dans la compréhension et le traitement ultérieur de ces maladies. Le génome haploïde humain et murin contient environ 200 copies des gènes de l'ARN ribosomal, l'ADN ribosomal (ADNr). Ces copies d'ADN ribosomique sont disposées en répétitions sur les bras courts des chromosomes acrocentriques. Il est intéressant de noter que seule une fraction des copies d'ADNr est active et qu'un nombre important est épigénétiquement silencieux et hétérochromatique. Cependant, les mécanismes à l'origine de la reconnaissance et de l'inactivation du promoteur de gène de l'ARN ribosomal ne sont pas encore bien compris. Cette thèse propose un modèle d'ajustement induit pour la reconnaissance du promoteur de l'ARN polymérase I et présente les rôles du facteur de terminaison de la transcription I dans la régulation du gène ribosomal. Nous montrons que la coopération entre SL1 et le variant d'épissage UBTF1 génère la spécificité requise pour la reconnaissance du promoteur de l'ADNr dans la cellule. Nous constatons que la suppression conditionnelle de la sous-unité Taf1b de SL1 provoque une déplétion de l'UBTF au niveau des deux promoteurs de l'ADNr, mais pas ailleurs dans l'ADNr. Nous constatons également que même si les variants UBTF1 et -2 se lient dans toute la région exempte de nucléosomes de l'ADNr, seul UBTF1 est présent avec SL1 au niveau des promoteurs. Ainsi, les données suggèrent fortement un modèle d'ajustement induit de reconnaissance du promoteur RPI dans lequel UBTF1 joue un rôle architectural. Parmi les promoteurs ribosomiques, on note la présence du promoteur spacer situé 2 kb en amont du promoteur principal du gène où se lie TTF1. Nous avons montré que cette liaison est importante pour empêcher l'ARN polymérase I de transcrire la région dites « enhancer repeats » interférant ainsi avec l'assemblage du complexe de pré-initiation au niveau du promoteur principal du gène ribosomique via un mécanisme d'occlusion du promoteur induit par un long ARN non codant, inhibant ainsi la transcription de l'ADN ribosomique et cela se produit en réponse à l'activité du suppresseur de tumeur ARF. Le même scénario est observé lors de la différenciation des cellules souches embryonnaires en cellules neuronales où nous avons montré que KLF4 régule la transcription de RPI via la régulation de ses facteurs associés TTF1 et RRN3. En prenant toutes les données ensemble, nous suggérons deux nouveaux mécanismes qui régulent le gène ribosomal : le modèle d'ajustement induit pour la reconnaissance du promoteur RPI et le mécanisme d'occlusion du promoteur induit par un long ARN non codant suite à l'activation du suppresseur de tumeur ARF dans la cellule. / Ribosome biogenesis is an important cellular process occurring in the nucleolus that requires the transcription by all three nuclear RNA polymerases. The initial and rate-limiting step of this process is the transcription of the precursor ribosomal RNA (pre-rRNA/47S) containing the catalytic RNAs 28S, 18S and 5.8S by RNA polymerase I (RPI, also known as Pol1 and POLR1). RPI has a dedicated set of basal factors responsible for its action: the architectural factor UBF or UBTF, the TBP containing factor SL1, the initiation factor RRN3, and the termination factor TTF1. Ribosomal RNA synthesis is tightly regulated and accounts for 40% of total gene transcription. The imbalance of ribosomal RNA synthesis has been observed in many diseases such as cancer. Therefore, this process is linked to cell growth, transformation, proliferation and the actions of tumor suppressors and oncogenes. Consequently, the study of transcriptional regulation of ribosomal RNAs is of crucial importance in the understanding and subsequent treatment of these diseases. The human and mouse haploid genome contain ~200 copies of the ribosomal RNA genes, the ribosomal DNA (rDNA). These ribosomal DNA copies are arranged in tandem repeats on the short arms of acrocentric chromosomes. Interestingly, only a fraction of the rDNA copies is active, and a significant number are epigenetically silenced and heterochromatic. However, the mechanisms behind ribosomal RNA gene promoter recognition and silencing are not yet fully understood. This thesis suggests an induced-fit model for RNA polymerase I promoter recognition and presents the roles played by the transcription termination factor I in regulating the ribosomal gene. We show that cooperation between SL1 and the UBTF1 splice variant generates the specificity required for rDNA promoter recognition. We find that conditional deletion of the Taf1b subunit of SL1 causes a striking depletion of UBTF at both rDNA promoters but not elsewhere across the rDNA. We also find that while both UBTF1 and -2 variants bind throughout the rDNA nucleosome-free region, only UBTF1 is present with SL1 at the promoters. Thus, the data strongly suggest an induced-fit model of RPI promoter recognition in which UBTF1 plays an architectural role. Of the ribosomal promoters, we note the presence of the spacer promoter located 2Kb upstream the main gene promoter where TTF1 binds. We showed that this binding is important to block the RNA polymerase I from transcribing the enhancer repeat region. We further demonstrated that the spacer promoter is the source of a lncRNA that interferes with the assembly of the pre-initiation complex at the main gene promoter via promoter interference or occlusion thereby inhibiting rDNA transcription. The mechanism is proposed to explain the action of the p19ARF tumor suppressor activity in limiting cell growth. The same scenario is observed during ESCs to NPCs differentiation where we showed that KLF4 determines RPI transcription by regulating the genes encoding TTF1 and RRN3. Our data suggest two novel mechanisms that regulate the ribosomal genes: the RPI promoter recognition induced-fit model and the lncRNA-induced promoter occlusion mechanism driven by ARF displacement of TTF1, and further suggests a role for rDNA regulation in differentiation and loss of pluripotency of embryonic stem cells.

Le mélanome uvéal est une tumeur intraoculaire fortement métastatique: plus de 50% des patients développent des métastases au foie malgré le traitement de la tumeur oculaire. Des analyses immunohistochimiques ont démontré précédemment une corrélation entre l’expression du principal médiateur de la réponse à l’hypoxie hypoxia-inducible factor 1 alpha et le développement de métastases. Nous avons donc exposé des cellules tumorales du mélanome uvéal et des mélanocytes de la choroïde à des taux d'oxygène hypoxiques ou à 21% afin de comparer leur transcriptome, leur prolifération, leur métabolisme énergétique et leur chimiorésistance. Nos analyses du transcriptome des cellules tumorales hypoxiques ont montré qu’il y avait une répression des transcrits de différenciation du mélanocyte ainsi qu’une surexpression de transcrits associés à la glycolyse aérobique (e.g. LDHA, PKM2). Nous avons également observé un ralentissement de la prolifération des cellules tumorales et une résistance accrue aux fortes concentrations de l’agent chimiothérapeutique cisplatine en conditions hypoxiques. / Uveal melanoma is the most common intraocular tumor in adults and is highly metastatic: up to half of patients develop metastases to the liver following the eye treatment. Previous immunohistochemistry analyses showed a correlation between the expression of hypoxia-inducible factor 1 alpha and the development of metastases. We therefore exposed uveal melanoma cells and choroidal melanocytes to hypoxic oxygen levels or to 21% O2 in order to compare their transcriptome, proliferation, energetic metabolism and chemoresistance. Our analyses of the transcriptome of hypoxic uveal melanoma cells showed a downregulation of melanocyte differentiation transcripts and an upregulation of transcripts associated to aerobic glycolysis (e.g. LDHA, PKM2). We also observed a reduction of tumor cell proliferation and a greater resistance to high concentrations of the chemotherapeutic agent cisplatin in hypoxic conditions.

Les facteurs de transcription Lmx1a et Lmx1b jouent un rôle critique dans le développement embryonnaire des progéniteurs des neurones dopaminergiques du mésencéphale, mais leur fonction dans le cerveau adulte reste peu connue. Nous montrons ici que le maintien de l’expression de Lmx1a/b est requis pour la survie des neurones dopaminergiques du mésencéphale chez l’adulte suite à l’inactivation conditionnelle de Lmx1a/b dans ces neurones post-mitotiques. Nous avons découvert que Lmx1a/b contrôlent l’expression de gènes du fonctionnement mitochondrial et que leur ablation entraine un affaiblissement de l’activité de la chaine respiratoire, en une augmentation du stress oxydatif et en des dommages à l’ADN mitochondrial. L’absence postnatale de Lmx1a/b induit également l’apparition d’inclusion d’alpha-synucléine suivie d’une perte progressive des neurones dopaminergiques de la SNc et de la VTA. Ces résultats révèlent le rôle de ces facteurs de transcription dans le développement et fournissent le lien mécanistique entre l’affaiblissement des fonctions mitochondriales, l’agrégation d’alpha-synucléine et la survie des neurones dopaminergiques. Cela suggère également qu’une perturbation de la fonction de Lmx1a et Lmx1b contribuerait à la pathophysiologie de la maladie de Parkinson. / The LIM-homeodomain transcription factors Lmx1a and Lmx1b play critical roles during the embryonic development of midbrain dopaminergic progenitors, but their functions in the adult brain remain poorly understood. We show here that sustained expression of Lmx1a and Lmx1b is required for the survival of adult midbrain dopaminergic neurons. Strikingly, conditional inactivation of Lmx1a and Lmx1b in postmitotic dopaminergic neurons recreates some of the early cellular features observed in Parkinson’s disease. We found that Lmx1a/b control expression of key genes involved in mitochondrial functions and their ablation results in impaired respiratory chain activity, increased oxidative stress and mitochondrial DNA damage. Postnatal Lmx1a/b deficiency caused axonal pathology characterized by the presence of alpha-synuclein positive inclusions, followed by a progressive loss of SNpc and VTA dopaminergic neurons. These results reveal the key role of these transcription factors beyond early developmental stages and provide mechanistic links between impaired mitochondrial functions, alpha-synuclein aggregation and long-term survival of dopaminergic neurons. The results also suggest the possibility that disturbed function of Lmx1a and Lmx1b contributes to Parkinson’s disease pathophysiology.

Les facteurs de transcription du réseau c-Myc/Max/Mxd assurent le contrôle de la transcription de plus de 1600 gènes. L'hétérodimérisation compétitive entre les membres du réseau et la protéine Max permet des réponses cellulaires opposées. En effet, le complexe c-Myc/Max est associé à l'activation de la transcription de gènes sous l'influence de promoteurs contenant des sites E-Box, pendant que les complexes Mxd/Max permettent l'inhibition de la transcription à ces mêmes promoteurs. Cependant, l'activité oncogénique associée à la surexpression de c-Myc dans plusieurs cancers semble être assurée par l'inhibition de la transcription de gènes cytostatiques causée par l'association de Miz-1 au complexe c-Myc/Max. De manière encourageante, la réintroduction de Mxdl permet de réduire la prolifération et la croissance cellulaire et constitue une avenue thérapeutique intéressante. Cette thèse rapporte l'élucidation de l'identité de résidus spécifiques impliqués dans la reconnaissance moléculaire de Mxdl et de Max et la détermination de la structure hétérodimérique minimale requise afin de permettre une liaison stable à l'ADN. La reconnaissance moléculaire est dictée par des déterminants structuraux spécifiques contenus dans les régions HLH et LZ. L'hétérodimérisation spécifique nécessite 2 étapes essentielles : 1) la déstabilisation des homodimères, assurée par des répulsions électrostatiques à l'interface de dimérisation des 2 domaines, et 2) l'hétérodimérisation avec Max. Dans notre premier article, nous avons confirmé que l'unique résidu acide D112a, situé à l'interface de dimérisation du LZ, prévient la formation des homodimères. Nous avons démontré que le retrait de la charge acide par la mutation D112N ou par l'abaissement du pH permettait d'augmenter de façon équivalente la population homodimérique. De plus, nos résultats démontrent que l'augmentation de l'homodimérisation du LZ et/ou de la région HLH obtenue par la mutation D112N soutient efficacement la liaison à un site E-Box. Le deuxième article a permis l'identification des résidus impliqués dans l'hétérodimérisation spécifique des régions b-HLH-LZ des protéines Mxdl et Max. L'augmentation de l'hydrophobicité de l'interface dimérique de la protéine Max par les mutations N78VH81L (VL) avait ultérieurement permis d'augmenter considérablement l'homodimérisation et de stabiliser la liaison à l'ADN. Dans cette optique prometteuse, nous avons augmenté l'hydrophobicité de l'interface dimérisation du LZ de Mxdl par la mutation D112V. Des essais de digestions enzymatiques et de CD ont confirmés l'augmentation de la stabilité du LZ de Mxdl. Cependant, cette mutation permettant d'accroître le taux d'hélices [alpha] ne permet toutefois pas de stabiliser la liaison à l'ADN. Certaines répulsions électrostatiques, possiblement impliquées dans la déstabilisation des homodimères de Mxdl et obtenues par le rapprochement des régions HLH, ont été hypothétiquement identifiées par modélisation moléculaire. Nous avons ensuite utilisé des essais d'hétérodimérisation limites strictement à certaines régions dimériques pour démontrer que les régions HLH hétérodimérisent de manière favorable indépendamment de la présence de LZ homodimériques. Cependant, la liaison à l'ADN nécessite l'hétérodimérisation des régions LZ même si l'interaction des régions HLH est observée en absence d'ADN. L'hétérodimérisation complète des domaines HLH et LZ, essentielle à la liaison de l'ADN par l'hétérodimère, survient uniquement lorsque l'interaction favorable des régions HLH surpasse la stabilité des LZ homodimériques et soutient indirectement la formation des hétérodimères des régions LZ. Nous avons également fait la démonstration que l'hétérodimérisation précède la liaison à l'ADN tel que proposée par d'autres groupes et ne peut être décrite par le mécanisme d'hétérodimérisation empruntant le «monomer pathway» qui correspondrait à la liaison successive de l'ADN par les monomères de Mxdl et de Max avant l'hétérodimérisation.

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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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