Les extrémités des chromosomes eucaryotes linéaires ont une structure nucléoprotéique particulière, et sont appelées télomères. Étant donnés leur structure et le mécanisme semi-conservatif de la réplication de l’ADN, la longueur des séquences télomériques est instable. Au fil des divisions cellulaires, les réplications successives de l’ADN entraînent une réduction progressive des séquences télomériques. Des télomères courts ne sont plus fonctionnels, ce qui entraîne l’arrêt du cycle cellulaire et de l’instabilité génomique. Il est donc essentiel de prévenir ce raccourcissement. Une enzyme spécialisée rallonge les télomères : la télomérase. La télomérase est une ribonucléoprotéine (RNP) qui maintient les télomères par un mécanisme d’ajout de répétitions de la séquence télomérique. Afin de former un complexe actif, les sous-unités protéiques de l’enzyme doivent s’assembler autour d’un ARN non-codant, nommé Tlc1 chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Cependant, le fait que la RNP nécessite plusieurs sous-unités pour son activité implique un assemblage précis et coordonné. Peu de données existent au sujet de l’assemblage de la RNP en un complexe actif, mais il semble qu’un trafic nucléo-cytoplasmique soit requis dans le cycle fonctionnel de l’enzyme. Caractériser le mécanisme d’assemblage de la télomérase permettra de mieux comprendre les phénomènes de régulation de l’activité de l’enzyme, et donc du maintien des télomères chez S. cerevisiae. À cette fin, j’ai d’abord vérifié l’état stoechiométrique de l’enzyme in vivo par des méthodes de FISH sur des molécules individuelles. J’ai ainsi pu montrer que la télomérase ne comportait qu’un seul ARN Tlc1. Ces données in vivo corrèlent avec des données publiées précédemment grâce à des techniques de biochimie, et suggèrent que l’enzyme n’est composée que de complexes individuels contenant une seule copie de chaque sous-unité protéique. Dans le but d’étudier les mécanismes d’assemblage de la télomérase, j’ai aussi développé un système de contrôle de la transcription d’une forme taguée de Tlc1. Cet outil génétique, basé sur les systèmes Cre-Lox et MS2-GFP, permet l’insertion d’un tag MS2 dans le gène TLC1. Ce tag donne la possibilité de suivre des ARN Tlc1 in vivo et en temps réel par microscopie confocale à spinning-disk. Ce système, baptisé CrEMGaT, a permis de montrer que l’insertion du tag dans le gène entraîne l’apparition de Tlc1-MS2, et que ces ARN forment des agrégats nucléaires ayant des caractéristiques similaires aux T-Recs précédemment caractérisés lors d’une collaboration avec le Pr Chartrand. De plus, des résultats préliminaires obtenus avec le CrEMGaT suggèrent que les ARN Tlc1-MS2 finissent leur cycle fonctionnel au cytoplasme. Dans l’ensemble, les données produites et l’outil développé au cours de cette thèse donnent une meilleure idée de l’état d’assemblage de la télomérase. / Abstract : In the eukaryotic kingdom, the extremities of the linear chromosomes have a particular nucleoproteic structure, and are called telomeres. Because of this structure and the semi-conservative nature of DNA replication, telomere length is unstable. DNA replications during consecutive cell divisions leads to a progressive shortening of telomeric sequences. Below a certain threshold, telomeres are not functional, triggering cell-cycle arrest and genomic instability. It is therefore essential to prevent this shortening. A specialized enzyme elongates telomeres: Telomerase. Telomerase is a ribonucleoprotein (RNP) that adds repeats of the telomeric sequence to the end of telomeres. The enzyme formation requires protein subunits to assemble onto a scaffolding ncRNA, Tlc1 in Saccharomyces cerevisiae. The fact that several subunits are needed for RNP activity implies a precise and coordinated assembly occurs. However, data are lacking about telomerase assembly into an active complex, but different observations point towards a nucleo-cytoplasmic trafficking requirement during the enzyme life-cycle. Characteristics about telomerase assembly mechanism would provide useful information in the quest for understanding the phenomena regulating the enzyme activity, and therefore telomere maintenance in S. cerevisiae. Engaged in this quest, I first verified telomerase stoichiometry in vivo. By quantitative single-molecule FISH, the results showed that the enzyme only contains one Tlc1 RNA per RNP in the cell. These in vivo data correlate with previous publications which, based on biochemical experiments, suggested single copies of the different subunits are present in the complex. Taken together, these findings are dismantling a previous dogma that stipulated telomerase is composed of two complexes, and suggest telomerase quaternary arrangement stays simple. Aiming to study telomerase assembly mechanisms, I also developed an inducible genetic system governing the transcription of a tagged version of Tlc1 (i.e. Tlc1-MS2). This system, based on the Cre-Lox and MS2-GFP systems, allows to control the insertion of a MS2 tag into the TLC1 gene. In this system, dubbed CrEMGaT, the genetic insertion is controllable and indeed leads to Tlc1-MS2 appearance. It is then possible to track these tagged RNAs in vivo and in real time with a spinning disk confocal microscope. Furthermore, these RNAs form nuclear aggregates with characteristics of the T-Recs previously described in a collaboration between our lab and Pr Chartrand’s. Finally, preliminary data obtained with the CrEMGaT suggest cytoplasm is the last cellular compartment visited by Tlc1-MS2 RNA. Overall, these data and the system developed during my thesis will give insights into telomerase assembly in vivo.

Telomeres are nucleoprotein structures that cap the physical ends of eukaryotic chromosomes. They consist of repetitive DNA sequences 5’-TTAGGG-3’ assembled with proteins which form the shelterin complex. This complex protects the ends of chromosomes by inhibiting DNA repair pathways at telomeres and avoid their recognition as double-strand breaks. Telomeres have been identified as a transcriptionally silent zone until 2007 when a noncoding RNA called TERRA (TElomeric Repeat containing RNA) transcribed from telomeres was discovered. This RNA gave rise to many questions: How is TERRA regulated? How is TERRA expressed? Does TERRA interact with proteins, DNA or RNA? After several studies, we know that TERRA is frequently expressed in cancer cells and it interacts with a large proteome. Nevertheless, its specific function remains unknown. In this thesis, we studied this RNA in human cancer cells using live-cell microscopy which allowed us to get information on TERRA’s dynamics, localization and its interactome. Moreover, we used single-molecule imaging on TERRA 15q labeled by the MS2-GFP system, which allowed the visualization of TERRA transcripts. This study resulted in the discovery of two types of TERRA population from telomere 15q: one of the population is characterized by the formation of clusters and a second population is constituted of unique molecules more dynamic in the nucleus. Finally, in order to better understand TERRA’s functions, we developed a new approach which consists on immunoprecipitating TERRA using the MS2 stem-loops as a tag to identify TERRA-interacting proteins such as the telomeric factor TRF2 or RNA-binding proteins like hnRNP -A1 or FUS. / Les télomères forment les extrémités des chromosomes chez les eucaryotes. Ces séquences répétées en tandem 5’-TTAGGG-3’ font partie d’un complexe nucléoprotéique appelé shelterin. En effet, cet assemblage de protéines télomériques permet la protection des extrémités des chromosomes, permettant à celles-ci de ne pas être reconnues comme des cassures dans l’ADN et d’activer les voies de réparation de l’ADN. Les télomères ont longtemps été reconnus comme étant des zones de transcription inactives, ce jusqu’en 2007 lorsqu’une équipe de recherche découvrit un ARN non codant appelé TERRA (Telomeric Repeat containing RNA). Ce dernier a suscité de nombreuses questions : quel est le rôle de cet ARN? Comment est-il exprimé et régulé? Interagit-il avec d’autres facteurs cellulaires? Les différentes recherches menées sur cet ARN ont permis de conclure que celui-ci était fréquemment induit dans les cellules de cancer, que ses partenaires d’interactions sont nombreux, mais que ses fonctions restent encore mal définies. Par ailleurs, ces différentes études ont toujours été ou presque réalisées sur des cellules fixées, sur une population totale d’ARN télomérique TERRA. Afin d’apporter de nouvelles réponses et de mieux caractériser cet ARN, nous avons étudié ce transcrit dans des cellules de cancer humain en utilisant la technique de microscopie en temps réel, qui permet de récolter des données sur la dynamique, la localisation de cet ARN et ses éventuels partenaires. De plus, nous nous sommes intéressés à des molécules uniques de TERRA issues du télomère 15q en exploitant la technique de marquage avec des tiges-boucles MS2 (MS2-GFP). Cette étude de microscopie a permis de découvrir deux types de population de l’ARN TERRA 15q : une population caractérisée par des assemblages d’ARN dit clusters (agrégats d’ARN) et une population plus singulière qui semble avoir une diffusion plus importante dans le noyau de la cellule. Par ailleurs, l’expression de l’ARN TERRA semble être différente d’un type cellulaire à un autre et nous avons donc cherché à connaître le niveau d’expression de cet ARN au sein de la lignée étudiée au cours de ce projet de recherche. Enfin, afin de découvrir de nouveaux rôles pour cet ARN, nous avons développé une approche de co-immunoprécipitation de l’ARN TERRA pour identifier des interactions avec des protéines du complexe shelterin comme TRF2, ou des protéines liant l’ARN comme hnRNP-A1 ou encore FUS.

Please find the referenced videos attached / The physical ends of eukaryotic chromosomes consist of repetitive DNA sequences, which are associated with specialized proteins forming a nucleoprotein structure essential for the integrity of the linear chromosomes, and are known as telomeres. Telomerase is an enzyme responsible for the maintenance of the telomeric repeats at the end of the chromosomes. Telomerase is a ribonucleoprotein, which contains a catalytic subunit that possesses reverse transcriptase activity, and a RNA subunit that acts as a template, since it possess the telomeric repeat sequences necessary to amplify telomere ends. Telomeres are transcribed in most eukaryotes into a non-coding RNA know as TERRA (Telomeric repeats-containing RNA). It has been proposed that TERRA may act as a regulator of telomere homeostasis, and as an inhibitor of telomerase, however, its specific function is still unknown. In Saccharomyces cerevisiae, TERRA is rapidly degraded by the 5’-3’ Rat1 exonuclease, which has hampered its study by classic biochemical experiments in yeast. In this thesis, we report the use of cytological approaches to study TERRA in budding yeast. Two different approaches were used for this purpose: the fluorescent in-situ hybridization (FISH) and the labeling of TERRA by the MS2-GFP system, which allow the visualization of TERRA transcripts form a single telomere in living cells. With these two approaches, we observed that TERRA is expressed from a single telomere and accumulates as a single perinuclear foci, in a small percentage of cells population. We also demonstrate that TERRA expression occurs due to telomere shortening. We demonstrate that TERRA interacts in vivo with the telomerase RNA (TLC1) in yeast. Telomere elongation depends on the action of several telomerase molecules that are visible as clusters, which associate with telomeres in late S phase in yeast, and mammalian cells. In adidition, we show that TERRA stimulates the nucleation of telomerase clusters. By performing time course experiments of TERRA and TLC1 RNA in live cells, we observed that TERRA acts as a scaffold for generating telomerase clusters, which are then recruited in late S phase to the telomere from which TERRA molecules originated. The recruitment of TERRA to its telomere of origin is dependent on factors that control telomerase recruitment at telomeres like: Mre11, Tel1 and the yKu complex. We propose that a short telomere expresses TERRA to assemble and organize telomerase molecules, which later on allows their recruitment at the short telomere, where elongation is needed. Finally we showed an up-regulation of TERRA, and telomerase RNA TLC1, accompanied by a predominant cytoplasmic localization as cell growth progresses from exponential growth to diauxic shift, and stationary phase. In these conditions, TERRA foci co-localize with TLC1 RNA foci, suggesting that the function of TERRA as a scaffold molecule to generate telomerase cluster is necessary for this yeast cell growth phases. / Les télomères à l’extrémité des chromosomes constituent une structure d’ADN et de protéines essentielle à l’intégrité de ces chromosomes. La télomérase est l’enzyme responsable du maintien des répétitions télomériques à l’extrémité des chromosomes. Cette enzyme est constituée d’une sous-unité catalytique, qui possède une activité de transcriptase réverse, et d’une sous-unité d’ARN, qui fourni la matrice nécessaire à la synthèse des répétitions télomériques. Les ARN contenant des répétions télomériques (ou Telomeric repeats-containing RNA; TERRA) constitue une nouvelle classe d’ARN non-codants transcrits à partir des télomères et conservée chez la plupart des eucaryotes. TERRA a été proposé d’agir comme un régulateur de l‘homéostasie des télomères et comme inhibiteur de la télomérase, mais sa fonction spécifique reste inconnue. De plus, chez la levure Saccharomyces cerevisiae, TERRA est rapidement dégradé par l’exonucléase 5’-3’ Rat1, ce qui complique l’étude de cet ARN par les méthodes biochimiques classiques. Dans cette thèse, nous rapportons l‘utilisation d’une approche cytologique pour étudier TERRA dans les cellules de levures. Deux approches sont utilisées : l’hybridation in situ en fluorescence (FISH) et l’étiquetage de TERRA à l’aide du système MS2-GFP, qui nous permet de visualiser l’expression de TERRA transcrit d’un seul télomère dans des cellules vivantes. Avec ces deux approches, nous observons que TERRA exprimé à partir d’un seul télomère s’accumule dans un faible nombre de cellules, sous la forme d’un focus périnucléaire. De plus, nous montrons que TERRA est exprimé lorsque son télomère raccourcit. Par immunoprécipitation, nous montrons que TERRA interagit in vivo avec l’ARN de la télomérase de levure, TLC1. L’élongation des télomères dépend de l‘action de multiples molécules de télomérase, qui sont visibles sous la forme de clusters de télomérases, qui s‘associent en phase S avec les télomères chez la levure et les cellules de mammifère. Nous démontrons que TERRA stimule la nucléation de ces clusters de télomérase. Par imagerie en temps réel de TERRA et de l’ARN TLC1, nous observons que TERRA agit comme molécule d’échafaudage pour générer des clusters de télomérases, qui sont par la suite recrutés, en phase S, au télomère duquel TERRA a été exprimé. Le recrutement d’un focus de TERRA à son télomère d’origine dépend des facteurs contrôlant le recrutement de la télomérase aux télomères : Mre11, Tel1 et le complexe yKu. Nous proposons qu’un télomère court exprime TERRA pour assembler et organiser les molécules de télomérase, afin que celles-ci soit puissent être recrutées au télomère court pour permettre son élongation. Enfin, nous observons une surexpression de l’ARN de la télomérase TLC1 et de TERRA, ainsi qu’une accumulation cytoplasmique de ceux-ci sous la forme de foci, lorsque la cellule passe de la phase de croissance exponentiel à la phase diauxique, puis à la phase stationnaire. Dans ces conditions, les foci d’ARN TLC1 colocalisent avec les foci de TERRA, suggérant que la fonction de TERRA comme molécule d’échafaudage pour générer des foci de télomérase est aussi nécessaire durant ces phases du cycle de croissance des levures.