Les glioblastomes (GB) sont des tumeurs cérébrales extrêmement agressives, très hypoxiques qui récidivent dans les champs d'irradiation malgré un traitement bien conduit qui associe radio et chimiothérapie. L'hypoxie tumorale et les facteurs de transcription inductibles par l'hypoxie (HIF-1alpha et HIF-2alpha) sont des facteurs importants de résistance aux thérapeutiques anti-cancéreuses, en particulier dans les glioblastomes. Récemment, un nouveau partenaire de HIF-2alpha a été identifié. Il s'agit de la protéine Int6 également connue sous le nom d'eIF3e, sous-unité " e " du facteur d'initiation de la traduction eIF3. De façon intéressante, des études ont montré que les niveaux d'expression d'eIF3e étaient associés à l'état d'avancement tumoral, dans les cancers du sein et du colon. Ces données de la littérature suggèrent que le facteur Int6/eIF3e pourrait être une cible particulièrement intéressante dans les cellules de glioblastome. Au cours de ma thèse et dans l'optique de vérifier cette hypothèse, j'ai démontré sur un plan fonctionnel que l'inhibition d'Int6/eIF3e dans différentes lignées de GB diminue la prolifération en provoquant un arrêt du cycle cellulaire en phase G1 et en augmentant la mort cellulaire, notamment par apoptose et par une augmentation des processus autophagiques. Sur un plan moléculaire j'ai mis en évidence que cette diminution de la survie des cellules de glioblastome en réponse à l'inhibition d'Int6/eIF3e est en partie causée par une réduction de l'expression des HIFs. De plus, l'étude de la biosynthèse protéique et en particulier de la traduction, via l'analyse des ARNm associés aux polysomes combinée à une analyse microarray, a permis de mettre en évidence une modulation de la traduction d'ARNm spécifiques permettant d'expliquer les phénotypes observés. Dans une perspective thérapeutique, j'ai pu démontrer que l'association de l'inhibition d'Int6/eIF3e avec les radiations ionisantes potentialise les effets de l'irradiation sur ces cellules de GB. Enfin sur un plan clinique j'ai mis en évidence une corrélation entre la perte d'expression d'Int6/eIF3e et une augmentation de la survie des patients atteints de GB. En conclusion, mes travaux de thèse ont permis de valider Int6/eIF3e comme une nouvelle cible essentielle pour la survie des cellules de glioblastome en régulant la traduction d'ARNm spécifiques. / Glioblastomas (GB) are very aggressive and malignant brain tumors, with frequent relapses despite an appropriate treatment combining surgery, chemotherapy and radiotherapy. In GB, hypoxia is a characteristic feature and activation of the Hypoxia Inducible Factors (HIF-1a and HIF-2a) has been associated with resistance to anti-cancer therapeutics. Int6, also named eIF3e, is the "e" subunit of the translation initiation factor eIF3, and was identified as novel regulator of HIF-2a. Interestingly, studies led in colon and breast cancers showed that high expression of eIF3e was correlated with a bad prognosis. These data suggest that Int6/eIF3e could become an interesting target in cancer cells and particularly in glioblastoma. During my graduate work and to assess this hypothesis, I first demonstrated at a functional level that Int6/eIF3e inhibition leads to a decreased GB cell proliferation induced by a cell cycle arrest in G1 phase and an increased cell death, especially apoptotic and autophagic processes in various GB cell lines. At the molecular level, I showed that this decreased GB cell survival in response to Int6/eIF3e inhibition was partly due to a reduction in HIFs expression. Moreover, the study of protein synthesis mechanisms, and particularly translation, via polysome-bound mRNA and microarray analyses revealed a modulation in the translation of specific subsets of mRNA, which could potentially explain our phenotypes. From a therapeutic prospect, I demonstrated that combination of Int6/eIF3e inhibition with ionizing radiations potentiates radiation effects on GB cells. Finally, immunohistochemistry studies showed that low expression of Int6/eIF3e is correlated with a longer survival for patients with GB, suggesting a potential relevance for Int6/eIF3e as a prognostic marker. In conclusion, my doctoral work allowed us to identify Int6/eIf3e as a new target essential for glioblastoma cell survival through the regulation of translation of specific mRNA subsets.

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

L’initiation de la traduction est un processus complexe qui fait intervenir une douzaine de facteurs d’initiation. L’élément clef de ce mécanisme est le facteur eIF4E qui grâce à sa liaison avec la coiffe, recrute l’ensemble du complexe d’initiation au niveau de l’ARNm et permet l’assemblage du ribosome au voisinage du codon d’initiation. Chez Arabidopsis thaliana, il existe à coté de la protéine eIF4E, une isoforme : eIF(iso)4E. Ces deux protéines participent à l’initiation de la traduction. L’existence de ces deux protéines évoque un phénomène de redondance fonctionnelle qui est attestée par la létalité du double mutant alors que les simples mutants sont viables. Cependant, l’étude phénotypique de mutants pour les gènes eIF4E et eIF(iso)4E a permis de montrer que cette redondance est partielle et inégale. En effet, les mutants pour le gène eIF4E présentent un retard de croissance, un retard de floraison, une baisse de la fertilité, une sénescence précoce et une activité traductionnelle réduite. Inversement, le phénotype des plantes mutantes pour le gène eIF(iso)4E est comparable à celui du sauvage. Les mutations dans les gènes eIF4E et eIF(iso)4E induisent une hypersensibilité à la lumière Enfin, en présence d’un inhibiteur de TOR la croissance de la racine des plantes de la lignée mutante pour le gène eIF(iso)4E est moins inhibée que celle des plantes de la lignée sauvage. / More than 12 initiation factors are involved in eukaryotic translation initiation. The key step of this mechanism is the binding of eIF4E with the cap of the mRNA. This step allows the recruitment of the initiation complex and the assembly of the ribosome close to the start codon. Arabidopsis thaliana encodes a second eIF4E protein: eIF(iso)4E. Those two proteins perform translation initiation. The existence of those two proteins suggests that they may be functionally redundant. Double mutant lethality testifies for functional redundancy. However, phenotypic studies of mutant lines for gene eIF4E and eIF(iso)4E showed that redundancy is partial and unequal. Indeed, the eIF4E mutant lines exhibit growth delay in rosette and roots, bolting delay, impaired fertility and early senescence in leaves. Translational activity is also largely impaired. On the contrary, a mutant line for the eIF(iso)4E gene has the same phenotype as wild type line. Mutant lines for eIF4E and eIF(iso)4E are more sensitive to light and accumulate anthocyanins even in normal light. On the molecular level, the amounts of mRNA of genes that are involved in high light response and their association to polysomes increase. When plants are grown on media containing a TOR inhibitor, AZD-8055, plants of the eIF(iso)4E mutant line show less root growth inhibition compared to wild type and eIF4E mutant lines. This result suggests that eIF(iso)4E could be targeted by the TOR pathway.

Résumé : L’immunothérapie anti-PD1 est à l’origine de résultats cliniques impressionnants dans le traitement de certains cancers comme le mélanome métastatique ou le lymphome Hodgkinien. Néanmoins, les rechutes sont fréquentes et certaines tumeurs y sont d’emblée résistantes. Par ailleurs, l’étude du complexe d’initiation de la traduction eIF4F gagne de plus en plus d’intérêt dans le domaine du cancer. En effet, eIF4F joue un rôle fondamental dans la biologie des cancers grâce au contrôle sélectif de la synthèse de protéines impliquées dans le développement tumoral.Dans cette étude, nous montrons que l’inhibition du complexe eIF4F, en plus d’avoir un effet antitumoral directe via l’inhibition de la croissance tumorale in-vitro, a une action indirecte grâce à l’inhibition de l’expression de PD-L1 sous IFN-g, évitant ainsi le blocage des lymphocytes cytotoxiques suite à l’engagement PD-1/PD-L1. Dans un modèle murin de mélanome, nous avons montré une inhibition de la croissance tumorale grâce à l’inhibition de l’expression de PD-L1, uniquement dans des souris immunocompétentes, montrant ainsi le rôle fondamental du système immunitaire. Nous avons ensuite identifié la voie de régulation de PD-L1 par eIF4F via une régulation traductionnelle de l’ARNm de STAT1, principal facteur de transcription de PD-L1 sous IFN-g.Cette étude apporte une nouvelle preuve de l’intérêt des inhibiteurs d’eIF4F dans le cancer en démontrant leur effet immunothérapeutique via l’inhibition de PD-L1, évitant ainsi l’interaction PD-1/PD-L1 qui conduit à l’échappement des tumeurs. Ces résultats ouvrent la voie vers de nouvelles stratégies dans la lutte contre le cancer. / The eukaryotic translation initiation complex eIF4F is subject of an increased interest in the field of cancer. This heterotrimeric complex, comprising the RNA helicase eIF4A, the cap-binding protein eIF4E and the scaffold protein eIF4G, is known to be more abundant and active in tumor cells than non-malignant counterparts.In a previous work, we showed that this complex is implicated in the resistance to melanoma-targeted therapies (Boussemart et al, Nature 2014). Furthermore, it is implicated in the resistance to various chemotherapies. Thus, agents targeting the eIF4F complex appear as promising tools in the field of cancer therapy.On the other hand, immunotherapy, by (re)stimulating and enhancing the host immune system against tumors is giving good clinical results in oncology treatment and appears nowadays as the most promising approach to fight cancer, especially anti-PD1 treatment. Even though immunotherapy has demonstrated remarkable results in curing some established cancers, such as advanced melanoma or Hodgkin’s lymphoma, many tumors relapse or fail to respond. It is thus important to still look for a new strategy enhancing the efficacy of actual treatments. Here, we propose to study the impact of inhibiting the eIF4F complex on the tumor-specific immune response.

L'expression génique est régulée à de nombreuses étapes de la vie cellulaire. La synthèse des protéines ou traduction, étape ultime de cette expression, est finement régulée. Elle comporte trois phases: l'initiation, l'élongation et la terminaison. L'initiation commence par l'établissement de la sous-unité ribosomique 40S sur cet ARNm qu'elle balaye ensuite jusqu'au codon initiation. Pour cela, des facteurs canoniques sont impliqués. Parmi eux, le facteur eIF3 interagit directement avec celle-ci. Au cours de mes travaux, j'ai étudié dans une première partie l'interaction putative entre le facteur eIF3 et la petite sous-unité ribosomique 40S. Le ribosome est constitué par deux types d'entités : des protéines ribosomiques et l'ARNr. Le facteur eIF3, contient au moins 13 sous-unités, dont deux possèdent un RRM, et sont potentiellement capables de lier cet ARNr via leur RRM: p44 et p116. eIF3p44 a montré auparavant qu'elle pouvait lier l'ARNr 18S. J'ai effectué un criblage d'une banque de fragments de cet ARNr pour identifier un site de liaison de p44 sur la sous-unité 40S. Les ARNm néo-synthétisés sont transportés et localisés afin de permettre l'expression des protéines au moment opportun et en un lieu précis de la cellule. Dans une deuxième partie, j'ai étudié des interactions impliquées dans le contrôle de l'initiation de la traduction d'un ARNm localisé chez la levure S. cerevisiae pendant son transport : l'ARNm ASH1. Il est régulé par Khd1p, protéine à trois domaines KH, qui lie directement un de ses éléments de localisation. Cette interaction est abolie par la phosphorylation de Khd1p lorsque l'ARNm est correctement localisé.

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable de la pandémie du SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise). Des souches virales résistantes aux antirétroviraux actuellement utilisés apparaissent rapidement. Il est donc important d’identifier de nouvelles cibles dans le cycle de réplication du VIH-1 pour développer de nouveaux agents contre ce virus. La traduction des protéines de structure et des enzymes du VIH-1 est une étape essentielle du cycle de réplication virale. Ces protéines sont exprimées à partir de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur (ARNmPL) à la fin du cycle de réplication. L’ARNmPL du VIH-1 peut utiliser un mode d’initiation de la traduction coiffe-dépendant, comme la majorité des ARNm cellulaires, mais peut aussi utiliser un mode d’initiation alternatif, car sa région 5’ non-traduite (5’UTR) contient un site interne d’entrée du ribosome (IRES), ce qui lui permet d’initier la traduction suivant un mode IRES-dépendant. L’initiation IRES-dépendante permet à l’ARNmPL d’être traduit quand l’initiation coiffe-dépendante est inhibée. L’activité de l’IRES de la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1 (IRES5’UTR) est faible dans des conditions physiologiques, mais est stimulée lorsque la cellule est arrêtée à la transition G2/M du cycle cellulaire, un arrêt qu’induit l’infection par le VIH-1. Une grande portion de l’IRES5’UTR, que nous nommons IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux et a une activité semblable à celle de l’ IRES5’UTR, ce qui indique que le mode IRES-dépendant peut être utilisé par tous les messagers du VIH-1. Lors de mes études doctorales, j’ai caractérisé le fonctionnement de l’IRES5’UTR du VIH-1. J’ai transfecté des cellules lymphocytaires Jurkat T, dérivées des cibles naturelles du VIH-1, avec un vecteur dual-luciférase contenant les séquences codantes des luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) séparées par la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1. La traduction de la Rluc est coiffe-dépendante alors que celle de la Fluc dépend de l’IRES5’UTR. J’ai d’abord effectué une analyse mutationnelle et j’ai identifié trois régions qui stimulent l’activité de l’IRES5’UTR et une tige-boucle qui réprime l’activité de cet IRES, que j’ai nommée IRENE (IRES negative element). J’ai montré que l’effet répresseur d’IRENE est aboli lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, un type de stress induit lors d’une infection par le VIH-1. Nous proposons que IRENE maintiendrait l’IRES5’UTR dans une conformation peu active dans des conditions physiologiques. On sait que les IRES sont activés par divers facteurs cellulaires, appelés ITAF (IRES trans-acting factors). Nous proposons que l’IRES5’UTR adopterait une conformation active suite à la liaison d’un ITAF exprimé ou relocalisé lors d’un stress oxydatif. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication (Gendron et al., 2011, Nucleic Acids Research, 39, 902-912). J’ai ensuite étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’activité de l’IRES5’UTR. En plus de son rôle essentiel dans la transactivation de la transcription des ARNm viraux, Tat stimule leur traduction coiffe-dépendante, en empêchant l’inhibition d’un facteur d’initiation canonique, eIF2, induite par la protéine kinase modulée par l’ARN double-brin (PKR) et en déroulant la structure TAR présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. Elle affecte aussi l’expression de plusieurs gènes cellulaires. J’ai montré que les isoformes Tat86 et Tat72, mais non Tat101, stimulent l’activité de l’IRES5’UTR. Cet effet est indépendant de PKR et de TAR, mais dépendrait de la conformation de Tat. Nous proposons que Tat activerait un facteur de transcription cellulaire qui déclenche l’expression d’un ITAF de l’IRES5’UTR ou encore qu’elle activerait directement un tel ITAF. J’ai de plus montré que PKR stimule l’activité de l’IRES5’UTR, ce qui est surprenant puisque PKR est une protéine antivirale. Cet effet est indépendant de l’inhibition d’eIF2 par PKR et pourrait résulter de l’activation d’un ITAF. Sachant qu’une portion active de l’IRES5’UTR, IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux, notre hypothèse est que la stimulation de cet IRES par PKR permettait de traduire l’ARNm de Tat au début du cycle de réplication, ce qui permettrait ensuite la traduction coiffe-dépendante des ARNm du VIH-1, qui est stimulée par Tat. Ces travaux font l’objet d’un manuscrit (Gendron et al., soumis à RNA). Mes résultats, couplés aux données de la littérature, me conduisent à la conclusion que, à la fin du cycle de réplication du VIH-1, l’activité de l’IRES5’UTR est stimulée par le stress oxydatif, l’arrêt en G2/M et la présence de quantités élevées de Tat, alors que la traduction coiffe-dépendante est compromise. L’initiation IRES-dépendante serait alors indispensable pour que le VIH-1 traduise l’ARNmPL. L’IRES5’UTR constituerait donc une cible très intéressante pour développer des agents anti-VIH. / The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is the causative agent of AIDS (acquired immunodeficiency syndrome). Viral strains that are resistant to antiretroviral agents used for the treatment of HIV-1 infected patients rapidly emerge. It is thus important to study the viral replication cycle in order to discover new targets for the development of novel agents against HIV-1. Translation of structural proteins and viral enzymes is a key step of the viral replication cycle. These proteins are translated from the HIV-1 full-length mRNA during late stages of the replication. This mRNA can be translated by a cap-dependent mode which is used by the majority of cellular mRNAs. However, since its 5’ untranslated region (5’UTR) contains an internal ribosome entry site (IRES) that we call IRES5’UTR, it can also be translated by an IRES-dependent mode. The IRES-dependent mode enables the full-length mRNA to be translated when the cap-dependent mode is impaired. The activity of the IRES5’UTR is weak in physiological conditions, but it is stimulated when the cell cycle is arrested at the G2/M transition, an arrest induced by HIV-1 infection. A large portion of this IRES, which we name IRES5’UTRc, is present in all HIV-1 mRNAs and its activity is similar to the activity of the complete IRES, which indicates that the IRES-dependent mode can be used by all HIV-1 mRNAs. During my doctoral studies, I investigated how the HIV-1 IRES5’UTR functions. I transfected Jurkat T cells, a lymphocytic cell line derived from the natural target cells of HIV-1, with a dual-luciferase reporter containing the coding sequences of the Renilla luciferase (Rluc) and the firefly luciferase (Fluc) separated by the complete 5’UTR of the HIV-1 full-length mRNA. Translation of Rluc is cap-dependent while translation of Fluc depends on HIV-1 IRES5’UTR. First, I performed a mutational analysis and I discovered three regions that stimulate the activity of IRES5’UTR and a stem-loop that represses its activity, which we named IRENE (IRES negative element). I showed that the repression induced by IRENE is relieved when cells are exposed to oxidative stress, a type of stress caused by HIV-1 infection. We propose that IRENE maintains the IRES5’UTR in a weakly active conformation in physiological conditions. It is known that IRESes are activated by cellular factors, called ITAFs (IRES trans-acting factors). We propose that the IRES5’UTR adopts an active conformation triggered by the binding of an ITAF that is expressed or relocalized during oxidative stress. These results generated a publication (Gendron et al. Nucleic Acids Research, 2011, 39, 902-912). I then decided to study the effect of the viral protein Tat on the IRES5’UTR activity. In addition to its essential role in the transcription of HIV-1 mRNAs, Tat stimulates the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs by interfering with the inhibition of a canonical initiation factor, eIF2, induced by the protein kinase modulated by double-stranded RNA (PKR) and by unwinding the TAR structure present at the 5’end of all HIV-1 mRNAs. Tat also affects the expression of several cellular genes. I showed that the Tat86 and Tat72 isoforms, but not Tat101, stimulate the activity of the IRES5’UTR. This effect is independent of PKR and TAR, but appears to be dependent upon the conformation of Tat. We suggest that Tat could activate a transcription factor that controls the expression of an ITAF of the IRES5’UTR or else that Tat could directly activate such an ITAF. I also showed that PKR stimulates the IRES5’UTR activity, which is surprising since PKR is an antiviral protein. This effect is independent of the inhibition of eIF2 by PKR and could result from the activation of an ITAF. Knowing that IRES5’UTRc, an active portion of IRES5’UTR is present in all HIV-1 RNAs, our hypothesis is that the stimulation of the IRES activity by PKR would allow Tat mRNA to be translated in the beginning of the replication cycle. This would subsequently allow the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs to proceed, which is stimulated by Tat. These results generated a manuscript that is submitted for publication to RNA. Altogether, my results, coupled to data from literature, lead me to conclude that, in the late phases of the replication cycle, the activity of the HIV-1 IRES5’UTR is stimulated by oxidative stress, by the cell cycle arrest in G2/M and by the presence of high amounts of Tat, while cap-dependent translation is impaired. The IRES5’UTR would thus be critical to translate the HIV-1 full-length mRNA. Consequently, the IRES5’UTR would constitute a very interesting target for the development of novel anti-HIV agents.

Les microARN jouent un grand rôle dans la régulation de l'expression des gènes bien que leur mécanisme d'action soit encore sujet à débat. Des premières études chez le vers C. elegans aux différents systèmes in vitro qui ont ensuite été développés, plusieurs modèles ont été proposés, comme l'inhibition de la traduction au niveau de l'initiation ou de l'élongation, et la déstabilisation du transcrit par déadénylation. Cependant, à la lumière des découvertes récentes, un consensus semble apparaître et indique que les miARN inhiberaient d'abord la traduction avant d'induire la déadénylation du transcrit, provoquant ainsi sa dégradation prématurée. D'autre part, le blocage traductionnel semble impliquer à la fois la coiffe en 5' et la queue poly(A) en 3' de l'ARNm ainsi que les facteurs qui s'y lient, c'est à dire le facteur d'initiation de la traduction eIF4F et la Poly(A) Binding Protein (PABP). Ces résultats ont conduit au modèle selon lequel, les miARN seraient capables d'empêcher la liaison entre ces deux facteurs et donc la circularisation du transcrit qui est essentielle à la fois au recrutement de la machinerie traductionnelle et à la stabilité de l'ARNm. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, notre laboratoire a développé un système in vitro basé sur l'utilisation du lysat de réticulocytes de lapin qui permet d'étudier l'effet traductionnel des miARN en s'affranchissant de dégradation du transcrit. L'étude de l'effet de drogues et d'enzymes virales, capables de bloquer spécifiquement la fonction de chaque facteur d'initiation dans ce système, a permis de déterminer le rôle clé de eIF4G et PABP dans l'inhibition traductionnelle par les miARN. Cependant, leur interaction n'est pas requise et le blocage s'effectue plutôt au cours de l'étape de balayage de la région 5' non codante par la petite sous-unité ribosomique. En parallèle de cette étude in vitro, un travail sur des lignées cellulaires a permis de déterminer l'influence de la queue poly(A) sur l'effet miARN. De façon très surprenante, l'expression des transcrits non polyadénylés n'est plus inhibée et est même stimulée par les miARN. Cet effet est dépendant de l'association du domaine MIF4G du facteur eIF4G avec le facteur eIF3, ce qui suggère qu'en l'absence de queue poly(A), les miARN seraient capables de stimuler le recrutement de la petite sous-unité ribosomique sur l'ARNm. L'ensemble de ces résultats révèle la complexité de l'effet miARN sur la traduction et ouvre de nouvelles voies / The mechanism by which microRNAs (miRNAs) can control gene expression has been a great matter of debate. From the first studies in worm to the in vitro systems that are used today, many models have been proposed that include regulation at the level of translation or at the level of mRNA stability by controlling 3' deadenylation and decay. Recent studies provided a consensus model of all these discrepancies and suggested that translation inhibition occured first and is followed by deadenylation and further degradation of the target transcript. Moreover, translation silencing seems to occur at the initiation level, and requires eIF4F and PABP initiation factors. This led to the hypothesis that miRNAs could interfere with the interaction between these two factors thus affecting the circularisation of the mRNA, which is essential for translation efficiency. In order to gain insight into this mechanism, we have used an in vitro system based on the rabbit reticulocyte lysate that fully recapitulates miRNA effects on translation with virtually no effect on deadenylation and decay. Using this system and a wide spectrum of translational inhibitors, we have narrowed down the step of initiation at which repression is exerted and we found that miRNAs affect mainly ribosomal scanning. This effect requires the presence of both eIF4G and PABP but does not rely on their physical interaction. Further analysis of miRNA repression in cells revealed that the poly(A) tail was an absolute requirement for miRNA action. To most of our surprise, we observed that removal of the poly(A) resulted in a shift from repression to stimulation of mRNA expression. This effect seems to require the middle domain of eIF4G and the presence of the Ago proteins. Altogether, these results reveal the complexity of miRNA effect and open new prospects on translation regulation

Chez les mammifères l’initiation de la traduction et, plus particulièrement, la formation du complexe eIF4F, est principalement régulée par la protéine kinase TOR (Target of rapamycin). Cette voie de régulation fait intervenir les protéines 4E-BP (eIF4E-binding proteins) dont l’activité est modulée par la phosphorylation par TOR. Sous leur forme non-phosphorylée, les 4E-BP se lient au facteur d’initiation eIF4E, empêchent son recrutement dans le complexe eIF4F et inhibent ainsi l’initiation de la traduction. Phosphorylées par TOR, les 4E-BP perdent leur affinité pour eIF4E et sont remplacées par eIF4G ce qui active la traduction. La régulation de l’initiation de la traduction par TOR via 4E-BP a été bien décrite dans plusieurs modèles eucaryotes, tels que la levure, les insectes et les mammifères, mais reste encore obscure chez les plantes. Les recherches réalisées au cours de ma thèse ont permis l’identification de deux protéines homologues de 4E-BP chez Arabidopsis. Ces protéines, que nous avons appelées ToRP1 et ToRP2 (TOR Regulatory Proteins), sont caractérisées par la présence d’un motif consensus indispensable pour la liaison à eIF4E, et qui existe chez les protéines 4E-BP des mammifères ainsi que chez eIF4G et eIFiso4G d’Arabidopsis. La protéine ToRP1 est capable d’interagir spécifiquement avec eIF4E, mais aussi avec TOR via son extrémité N-terminale en système double-hybride de levure. ToRP1 et ToRP2 ont également été caractérisées comme étant des cibles directement phosphorylées par TOR chez Arabidopsis. Deux sérines, en position 49 et 89 dans la protéine ToRP1, ont été identifiées comme des sites potentiels de cette phosphorylation. De plus, l’état de phosphorylation de ces sites affecte l’interaction avec eIF4E en système double-hybride de levure. Par ailleurs, des plants d’Arabidopsis déficients en ToRP1 et ToRP2 renforcent la traduction strictement coiffe-dépendante de l’ARNm CYCB1;1, alors que la surexpression de ToRP1 ou de ToRP2 réprime sa traduction. Ces résultats suggèrent donc que les protéines ToRP, identifiées chez Arabidopsis, sont de nouvelles cibles directes de TOR, qui, par leur phosphorylation, régule l’initiation de la traduction coiffe-dépendante. / The target of rapamycin (TOR) is an evolutionarily conserved kinase that is a critical sensor of nutritional and cellular energy and a major regulator of cell growth. TOR controls cap-dependent translation initiation, in particular the assembly of the eIF4F complex, by modulating the activity of eIF4E-binding proteins (4E-BPs). In their unphosphorylated state 4E-BP proteins sequester eIF4E and repress translation. Upon phosphorylation by TOR, 4E-BPs have a low affinity binding to eIF4E and are replaced by eIF4G thus activating translation initiation. 4E-BPs have been discovered in yeast and mammals but remain to be obscure in plants. Here, we identified and characterized two Arabidopsis proteins termed TOR Regulatory Proteins (ToRPs 1 and 2) that display some characteristics of mammalian 4E-BPs. ToRP1 and ToRP2 contain a canonical eIF4E-binding motif (4E-BM) found in mammalian 4E-BPs and Arabidopsis eIF4G and eIFiso4G. ToRP1 interacts with eIF4E, and, surprisingly, the N-terminal HEAT domain of TOR in the yeast two-hybrid system. ToRP1 and ToRP2 are highly phosphorylated at several phosphorylation sites in TOR-dependent manner in planta. Two of these phosphorylation sites have been identified as—S49 and S89—their phosphorylation status modulates ToRP1 binding to eIF4E in the yeast two-hybrid system. In plant protoplasts, ToRP2 can function as translation repressor of mRNAs that are strictly cap-dependent. Our results suggest that ToRPs can specifically bind the Arabidopsis cap-binding proteins (eIF4E/eIFiso4E) and regulate translation initiation under the control of TOR

Le travail retranscrit dans cette thèse regroupe l'étude de différents processus biologiques impliquant les ARN de transfert. Premièrement, dans le cadre de l'étude du rôle de la protéine de nucléocapside (NC) dans la formation du complexe d'initiation de la transcription inverse du VIH-1, un site de fixation fort et spécifique de la NC a été identifié sur le bras D de l'ARNtLys3 — l'ARNt servant d'amorce à la transcriptase inverse lors de la synthèse du brin d'ADNc(-). Cette fixation permet d'une part la fusion des interactions tertiaires entre les bras T et D de l'ARNtLys3 et pourrait d'autre part être l'un des facteurs déplaçant l'équilibre vers la formation de l'hybride ARNtLys3/ARN viral. L'étude structurale par RMN du complexe NC/bras D s'est heurtée à des problèmes d'échange chimique dans la gamme intermédiaire–rapide de l'échelle de temps spectrale. L'utilisation de séquences de type CPMG–HSQC a permis d'améliorer le rapport signal/bruit des expériences RMN, et particulièrement celui des signaux des résidus de l'interface. Ceci nous a permis d'identifier les résidus de la NC impliqués dans la reconnaissance du bras D. Deuxièmement, la structure de la m1A58 méthyltransférase de T. thermophilus (TrmI) — une enzyme de modification des ARNt — a été résolue par cristallographie et affinée à 1.7 Å. Ceci a permis d'identifier trois résidus potentiellement impliqués dans la catalyse et/ou la reconnaissance du substrat ARNt (D170, Y78 et Y194). La production de variants de TrmI au niveau de ces résidus ainsi que des études d'amarrage moléculaire d'une adénine au site actif ont permis de confirmer cette hypothèse et de proposer un rôle catalytique pour chacun d'eux. Parallèlement, des études par gel natif et par spectrométrie de masse en conditions non dénaturantes ont montré une stoechiométrie 1/2 pour le complexe entre l'enzyme TrmI tétramérique et le substrat ARNt. Troisièmement, la résolution de la structure cristallographique de l'ARNtfMet initiateur d'E. coli a révélé une conformation unique de la région de l'anticodon. Cette conformation unique est associée au paires GC de la tige anticodon, caractéristiques des ARNt initiateurs. Cette conformation particulière — dans laquelle la base A37 ne vient pas s'empiler entre les bases 36 et 38, comme dans tous les ARNt élongateurs — permet de mettre en lumière de nombreux résultats biochimiques de la littérature et suggère un mécanisme par lequel la machinerie de l'initiation de la traduction pourrait discriminer l'ARNt initiateur de tous les ARNt cellulaires.

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable de la pandémie du SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise). Des souches virales résistantes aux antirétroviraux actuellement utilisés apparaissent rapidement. Il est donc important d’identifier de nouvelles cibles dans le cycle de réplication du VIH-1 pour développer de nouveaux agents contre ce virus. La traduction des protéines de structure et des enzymes du VIH-1 est une étape essentielle du cycle de réplication virale. Ces protéines sont exprimées à partir de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur (ARNmPL) à la fin du cycle de réplication. L’ARNmPL du VIH-1 peut utiliser un mode d’initiation de la traduction coiffe-dépendant, comme la majorité des ARNm cellulaires, mais peut aussi utiliser un mode d’initiation alternatif, car sa région 5’ non-traduite (5’UTR) contient un site interne d’entrée du ribosome (IRES), ce qui lui permet d’initier la traduction suivant un mode IRES-dépendant. L’initiation IRES-dépendante permet à l’ARNmPL d’être traduit quand l’initiation coiffe-dépendante est inhibée. L’activité de l’IRES de la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1 (IRES5’UTR) est faible dans des conditions physiologiques, mais est stimulée lorsque la cellule est arrêtée à la transition G2/M du cycle cellulaire, un arrêt qu’induit l’infection par le VIH-1. Une grande portion de l’IRES5’UTR, que nous nommons IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux et a une activité semblable à celle de l’ IRES5’UTR, ce qui indique que le mode IRES-dépendant peut être utilisé par tous les messagers du VIH-1. Lors de mes études doctorales, j’ai caractérisé le fonctionnement de l’IRES5’UTR du VIH-1. J’ai transfecté des cellules lymphocytaires Jurkat T, dérivées des cibles naturelles du VIH-1, avec un vecteur dual-luciférase contenant les séquences codantes des luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) séparées par la région 5’UTR de l’ARNmPL du VIH-1. La traduction de la Rluc est coiffe-dépendante alors que celle de la Fluc dépend de l’IRES5’UTR. J’ai d’abord effectué une analyse mutationnelle et j’ai identifié trois régions qui stimulent l’activité de l’IRES5’UTR et une tige-boucle qui réprime l’activité de cet IRES, que j’ai nommée IRENE (IRES negative element). J’ai montré que l’effet répresseur d’IRENE est aboli lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, un type de stress induit lors d’une infection par le VIH-1. Nous proposons que IRENE maintiendrait l’IRES5’UTR dans une conformation peu active dans des conditions physiologiques. On sait que les IRES sont activés par divers facteurs cellulaires, appelés ITAF (IRES trans-acting factors). Nous proposons que l’IRES5’UTR adopterait une conformation active suite à la liaison d’un ITAF exprimé ou relocalisé lors d’un stress oxydatif. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication (Gendron et al., 2011, Nucleic Acids Research, 39, 902-912). J’ai ensuite étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’activité de l’IRES5’UTR. En plus de son rôle essentiel dans la transactivation de la transcription des ARNm viraux, Tat stimule leur traduction coiffe-dépendante, en empêchant l’inhibition d’un facteur d’initiation canonique, eIF2, induite par la protéine kinase modulée par l’ARN double-brin (PKR) et en déroulant la structure TAR présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. Elle affecte aussi l’expression de plusieurs gènes cellulaires. J’ai montré que les isoformes Tat86 et Tat72, mais non Tat101, stimulent l’activité de l’IRES5’UTR. Cet effet est indépendant de PKR et de TAR, mais dépendrait de la conformation de Tat. Nous proposons que Tat activerait un facteur de transcription cellulaire qui déclenche l’expression d’un ITAF de l’IRES5’UTR ou encore qu’elle activerait directement un tel ITAF. J’ai de plus montré que PKR stimule l’activité de l’IRES5’UTR, ce qui est surprenant puisque PKR est une protéine antivirale. Cet effet est indépendant de l’inhibition d’eIF2 par PKR et pourrait résulter de l’activation d’un ITAF. Sachant qu’une portion active de l’IRES5’UTR, IRES5’UTRc, est présente dans tous les ARNm viraux, notre hypothèse est que la stimulation de cet IRES par PKR permettait de traduire l’ARNm de Tat au début du cycle de réplication, ce qui permettrait ensuite la traduction coiffe-dépendante des ARNm du VIH-1, qui est stimulée par Tat. Ces travaux font l’objet d’un manuscrit (Gendron et al., soumis à RNA). Mes résultats, couplés aux données de la littérature, me conduisent à la conclusion que, à la fin du cycle de réplication du VIH-1, l’activité de l’IRES5’UTR est stimulée par le stress oxydatif, l’arrêt en G2/M et la présence de quantités élevées de Tat, alors que la traduction coiffe-dépendante est compromise. L’initiation IRES-dépendante serait alors indispensable pour que le VIH-1 traduise l’ARNmPL. L’IRES5’UTR constituerait donc une cible très intéressante pour développer des agents anti-VIH. / The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is the causative agent of AIDS (acquired immunodeficiency syndrome). Viral strains that are resistant to antiretroviral agents used for the treatment of HIV-1 infected patients rapidly emerge. It is thus important to study the viral replication cycle in order to discover new targets for the development of novel agents against HIV-1. Translation of structural proteins and viral enzymes is a key step of the viral replication cycle. These proteins are translated from the HIV-1 full-length mRNA during late stages of the replication. This mRNA can be translated by a cap-dependent mode which is used by the majority of cellular mRNAs. However, since its 5’ untranslated region (5’UTR) contains an internal ribosome entry site (IRES) that we call IRES5’UTR, it can also be translated by an IRES-dependent mode. The IRES-dependent mode enables the full-length mRNA to be translated when the cap-dependent mode is impaired. The activity of the IRES5’UTR is weak in physiological conditions, but it is stimulated when the cell cycle is arrested at the G2/M transition, an arrest induced by HIV-1 infection. A large portion of this IRES, which we name IRES5’UTRc, is present in all HIV-1 mRNAs and its activity is similar to the activity of the complete IRES, which indicates that the IRES-dependent mode can be used by all HIV-1 mRNAs. During my doctoral studies, I investigated how the HIV-1 IRES5’UTR functions. I transfected Jurkat T cells, a lymphocytic cell line derived from the natural target cells of HIV-1, with a dual-luciferase reporter containing the coding sequences of the Renilla luciferase (Rluc) and the firefly luciferase (Fluc) separated by the complete 5’UTR of the HIV-1 full-length mRNA. Translation of Rluc is cap-dependent while translation of Fluc depends on HIV-1 IRES5’UTR. First, I performed a mutational analysis and I discovered three regions that stimulate the activity of IRES5’UTR and a stem-loop that represses its activity, which we named IRENE (IRES negative element). I showed that the repression induced by IRENE is relieved when cells are exposed to oxidative stress, a type of stress caused by HIV-1 infection. We propose that IRENE maintains the IRES5’UTR in a weakly active conformation in physiological conditions. It is known that IRESes are activated by cellular factors, called ITAFs (IRES trans-acting factors). We propose that the IRES5’UTR adopts an active conformation triggered by the binding of an ITAF that is expressed or relocalized during oxidative stress. These results generated a publication (Gendron et al. Nucleic Acids Research, 2011, 39, 902-912). I then decided to study the effect of the viral protein Tat on the IRES5’UTR activity. In addition to its essential role in the transcription of HIV-1 mRNAs, Tat stimulates the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs by interfering with the inhibition of a canonical initiation factor, eIF2, induced by the protein kinase modulated by double-stranded RNA (PKR) and by unwinding the TAR structure present at the 5’end of all HIV-1 mRNAs. Tat also affects the expression of several cellular genes. I showed that the Tat86 and Tat72 isoforms, but not Tat101, stimulate the activity of the IRES5’UTR. This effect is independent of PKR and TAR, but appears to be dependent upon the conformation of Tat. We suggest that Tat could activate a transcription factor that controls the expression of an ITAF of the IRES5’UTR or else that Tat could directly activate such an ITAF. I also showed that PKR stimulates the IRES5’UTR activity, which is surprising since PKR is an antiviral protein. This effect is independent of the inhibition of eIF2 by PKR and could result from the activation of an ITAF. Knowing that IRES5’UTRc, an active portion of IRES5’UTR is present in all HIV-1 RNAs, our hypothesis is that the stimulation of the IRES activity by PKR would allow Tat mRNA to be translated in the beginning of the replication cycle. This would subsequently allow the cap-dependent translation of HIV-1 mRNAs to proceed, which is stimulated by Tat. These results generated a manuscript that is submitted for publication to RNA. Altogether, my results, coupled to data from literature, lead me to conclude that, in the late phases of the replication cycle, the activity of the HIV-1 IRES5’UTR is stimulated by oxidative stress, by the cell cycle arrest in G2/M and by the presence of high amounts of Tat, while cap-dependent translation is impaired. The IRES5’UTR would thus be critical to translate the HIV-1 full-length mRNA. Consequently, the IRES5’UTR would constitute a very interesting target for the development of novel anti-HIV agents.