Proteins of the nuclear envelope play important roles in a variety of cellular processes e.g. transport of proteins between the nucleus and cytoplasm, co-ordination of nuclear and cytoplasmic events, anchoring of chromatin to the nuclear periphery and regulation of transcription. Defects in proteins of the nuclear envelope and the nuclear pore complexes have been related to a number of human diseases. To understand the cellular functions in which nuclear envelope proteins participate it is crucial to map the functions of these proteins. The present study was done in order to characterize the role of three different proteins in functions related to the nuclear envelope in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The arginine methyltransferase Rmt2 was demonstrated to associate with proteins of the nuclear pore complexes and to influence nuclear export. In addition, Rmt2 was found to interact with the Lsm4 protein involved in RNA degradation, splicing and ribosome biosynthesis. These results provide support for a role of Rmt2 at the nuclear periphery and potentially in nuclear transport and RNA processing. The integral membrane protein Cwh43 was localized to the inner nuclear membrane and was also found at the nucleolus. A nuclear function for Cwh43 was demonstrated by its ability to bind DNA in vitro. A link to nucleolar functions was demonstrated by genetic analysis. Furthermore, Cwh43 is interacting with signalling pathways perhaps acting as a sensor for signals transmitted from the cytoplasm to the nucleus. The Myr1 protein was found to be membrane-associated and to interact with proteins involved in vesicular traffic. Overexpression of Myr1 affects nuclear morphology and nuclear pore distribution suggesting a function in membrane dynamics. In conclusion, the presented results aid in a deeper understanding of functions related to the nuclear envelope in revealing a novel link between arginine methylation and the nuclear periphery, identifying a novel inner nuclear membrane protein and a new membrane-associated protein.

The export of mRNAs from the nucleus to the cytoplasm is one of many steps along the gene expression pathway and is fundamental for mRNAs to meet with ribosomes for translation in the cytoplasm. Exchanges between nucleus and cytoplasm occur through the nuclear pore complex (NPC), which is a large multi-protein complex embedded in the nuclear membrane and assembled by 30 different proteins the nucleoporins. The nucleoplasmic side of the pore is believed to orchestrate many fundamental nuclear processes. Indeed, a growing body of evidence suggests that the nuclear pore is involved in a broad range of activities including modulation of DNA topology, DNA repair, epigenetic regulation of gene expression, and selective access to exporting molecules. The structural component required for orchestrating those nucleoplasmic functions is the basket, a ∼60- to 80-nm-long structure protruding into the nucleoplasm. The consensus view depicts the basket as a structure assembled by filamentous proteins, TPR (Translocated Promoter Region protein) in humans and by its two paralogues Mlp1 and Mlp2 (myosin-like proteins) in yeast, converging into a distal ring. In the first part of this thesis, we characterized the motion of specific mRNAs at the vicinity of the nuclear periphery. We observed that transcripts scan along the nuclear envelope, likely to find a nuclear pore to be exported. We also showed the scanning behavior was affected upon Mlp1 deletion or truncation as well as upon mutation of the nuclear poly(A) binding protein Nab2. These observations indicated that Mlp1 and hence baskets, as well as specific RNA binding proteins, facilitate the interaction of mRNA with the nuclear periphery. While the canonical structure of the NPC is well established, our understanding of the conditions and factors contributing to the assembly of a basket, as well as the stoichiometry of its components, remains incomplete. Although basket proteins have been implicated in the regulation of gene expression through gene anchoring to the nuclear periphery and in mRNA scanning before export, how this is mediated by Mlp1/2 is poorly understood. Moreover, the dynamics of basket proteins in yeast seem to obey different rules than those of other nucleoporins as their turnover at the pore is faster than any other NPC components. Furthermore, it has been observed that during heat shock Mlp1 and Mlp2 dissociate from nuclear pores and form intra-nuclear granules, sequestering mRNAs and RNA export factors. Yet the mechanism for the formation of these granules or their role during heat shock is poorly understood. In yeast, the nuclear baskets are not associated with all NPCs, as no baskets assemble on the pores adjacent to the nucleolus. Yet, how cells establish these basket-less pores and whether they represent specialized nuclear pores with different functions from basket-containing pores is still unknown. To understand the dynamics of basket assembly and the biological relevance of establishing distinct sets of pores, we dissected the biological processes leading to the formation of baskets. In addition, to highlight potential functional differences between the two types of pores, we identified the interactors of nuclear basket-containing and nucleolar basket-less pores. We showed that assembling a basket is not a default mode for a pore in the nucleoplasm and that active mRNA processing is required to maintain baskets integrity. While mRNA can be found associated with both types of pores, our results suggest that export kinetics may be different on basket-containing and basket-less pores. The eukaryotes organize their nucleus in discrete functional regions and the nuclear envelope has been envisioned as an organelle by and of itself. Our analyzes indicate that mRNAs and Mlp1 participate in an additional degree of nuclear compartmentalization by enabling the formation of a dynamic structure: the basket. Overall my project sheds new light on the nuclear organization and highlights the surprising entanglement between mRNA export and NPC plasticity. / L'exportation des ARN messagers du noyau vers le cytoplasme est l'une des nombreuses étapes de la voie d'expression des gènes et est fondamentale pour que les ARNm rencontrent les ribosomes pour être traduits dans le cytoplasme. Les échanges entre le noyau et le cytoplasme se font par l'intermédiaire du complexe du pore nucléaire, qui est un grand complexe multiprotéique enchâssé dans la membrane nucléaire et assemblé par 30 protéines différentes, les nucléoporines. Le versant nucléoplasmique du pore orchestre de nombreux processus nucléaires fondamentaux. En effet, un nombre croissant d’études suggère que le pore nucléaire est impliqué dans un large éventail d'activités, notamment la modulation de la topologie de l'ADN, la réparation de l'ADN, la régulation épigénétique de l'expression des gènes et l'accès sélectif aux molécules candidates à l’export. Le composant structurel nécessaire pour orchestrer ces fonctions nucléoplasmiques est appelé le panier une structure de ∼60 à 80 nm de long faisant saillie dans le nucléoplasme. Une vision consensuelle dépeint le panier comme une structure assemblée par des protéines filamenteuses convergeant en un anneau distal, TPR (Translocated Promoter Region protein) chez l'homme et par ses deux paralogues Mlp1 et Mlp2 (myosin-like proteins) chez la levure. Dans la première partie de cette thèse, nous avons caractérisé le mouvement d'ARNm spécifiques au voisinage de la périphérie nucléaire. Nous avons observé que les transcrits scannent l'enveloppe nucléaire, probablement pour trouver un pore nucléaire afin d'être exportés. Nous avons également montré que ce comportement était affecté par la délétion ou la troncation de Mlp1 ainsi que par la mutation de la protéine de liaison aux queues poly(A) Nab2. Ces observations indiquent que Mlp1 et donc les paniers, ainsi que des protéines liant l’ARN, facilitent l'interaction des ARNm avec la périphérie nucléaire. Alors que la structure canonique du pore nucléaire est bien établie, notre compréhension des conditions et des facteurs contribuant à l'assemblage du panier, ainsi que de la stoechiométrie de ses composants, reste incomplète. Bien que les protéines du panier soient impliquées dans la régulation de l'expression des gènes par l'ancrage des gènes à la périphérie nucléaire et dans le recrutement des ARNm avant leur export, la manière dont le panier intervient dans ce processus est mal comprise. De plus, la dynamique des protéines du panier chez la levure semble obéir à des 6 règles différentes de celles des autres nucléoporines, car leur renouvellement (turn over) au niveau du pore est plus rapide que celui des autres composants du NPC. De plus, il a été observé que lors d'un choc thermique, Mlp1 et Mlp2 se dissocient des pores nucléaires et forment des granules intra-nucléaires, séquestrant les ARNm et les facteurs d'exportation d'ARN. Pourtant, le mécanisme de formation de ces granules ou leur rôle pendant le choc thermique est mal compris. Chez la levure, le panier nucléaire n'est pas associé à tous les pores nucléaires, et les paniers sont absents des pores adjacents au nucléole. La manière dont les cellules établissent ces pores sans paniers et s'ils représentent des pores nucléaires spécialisés ayant des fonctions différentes des pores contenant des corbeilles n’est pas connue. Pour comprendre la dynamique de l'assemblage des paniers et la pertinence biologique de former de deux types de pores distincts, nous avons disséqué les processus biologiques menant à la formation des paniers. De plus, afin de mettre en évidence les différences fonctionnelles potentielles entre les deux types de pores nous avons étudié les protéines associées aux pores contenant un panier nucléaire et des pores sans panier. Nous avons montré que l'assemblage d'un panier n'est pas un mode par défaut pour un pore dans le nucléoplasme et que la formation et la maturation des ARNm est nécessaire pour maintenir l'intégrité des paniers. Alors que l'ARNm peut être trouvé associé aux deux types de pores, nos résultats suggèrent que la cinétique d’export peut être différente sur les pores avec et sans panier. Les eucaryotes organisent leur noyau en régions fonctionnelles discrètes et l'enveloppe nucléaire a été envisagée comme pouvant être une organelle à part entière. Nos analyses indiquent que les ARNm et Mlp1 participent à un degré supplémentaire de compartimentation nucléaire en permettant la formation d'une structure dynamique : le panier. Mon projet apporte un nouvel éclairage sur l'organisation des compartiments nucléaire et met en évidence l'intrication surprenante entre l'export des ARNm et la plasticité des pores nucléaires.

Au cours de la transcription, plusieurs facteurs sont assemblés sur les ARN messagers pour former des Ribonucléoparticules de messagers (mRNPs), et contrôler leur maturation, leur stabilité et leur devenir dans le cytoplasme. Afin d’assurer la production de protéines fonctionnelles, la cellule dispose de plusieurs mécanismes de régulation et de contrôle de qualité assurant la fidélité de l’information génétique transmise au niveau ARN messager et protéine.Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, un ensemble de protéines associées au pore nucléaire, incluant la SUMO protéase Ulp1, a été impliqué dans un contrôle de qualité des mRNPs régulant leur export vers le cytoplasme. Ces données suggéraient que l’export des ARN messagers pourrait être contrôlé par la modification post-traductionnelle par le polypeptide SUMO d’un ou de plusieurs effecteurs au sein des mRNPs. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons combiné plusieurs approches visant à identifier ces protéines SUMOylées. En particulier, nous avons mis en place un crible protéomique visant à identifier les protéines dont l’association sur les mRNPs dépend d’Ulp1. Ce crible nous a permis de mettre en évidence une régulation par Ulp1 de l’assemblage du complexe THO sur les ARN messagers. Ce complexe, recruté sur les gènes et les mRNPs, est connu pour contribuer à l’efficacité de la transcription, prévenir l’instabilité génétique liée à la formation d’hybrides ADN matrice – ARN messager (dénommés R-loops) et permettre l’export des mRNPs. En combinant l’analyse biochimique de différentes catégories de mRNPs à des expériences d’immunoprécipitation de l’ARN, nous avons montré que l’activité de la SUMO-protéase Ulp1 est nécessaire à l’association du complexe THO sur différents ARN messagers. De plus, nous avons montré que le complexe THO est SUMOylé sur le domaine C-terminal de sa sous-unité Hpr1, et que Ulp1 régule cette modification. Enfin, cet événement de SUMOylation du complexe THO régule son association avec les mRNPs. L’analyse fonctionnelle de mutants affectant la SUMOylation du complexe THO révèle que des défauts de SUMOylation de ce complexe compromettent ses fonctions dans la transcription sans affecter l’export. De manière intéressante, nous avons observé que la présence d’un intron sur des rapporteurs LacZ diminue la sensibilité de leur expression à des inactivations ou des défauts de SUMOylation du complexe THO. Ce phénotype entraine une augmentation relative des niveaux d’ARN pré-messagers dans ces mutants, un phénomène rendant compte de la fuite cytoplasmique apparente d’ARN non épissés précédemment observée dans le mutant ulp1. L’ensemble de ces données caractérise pour la première fois un rôle de la SUMOylation dans le contrôle de l’assemblage et du devenir cellulaire des mRNPs. / During transcription, several factors associate with mRNA to form messenger Ribonucleoparticles (mRNPs), thereby controlling their processing, their stability, and their cytoplasmic fate. To ensure the production of functional proteins from these mRNAs, eukaryotic cells contain numerous regulatory and quality control systems in order to prevent aberrant mRNP accumulation and export.In the yeast Saccharomyces cerevisiae, several nuclear pore associated proteins, including the SUMO isopeptidase Ulp1, have been involved in a mRNP quality control regulating their nuclear export. These data suggested that post-translational modification by SUMO of one or several mRNP components could regulate mRNA export. In order to understand the molecular mechanisms underlying this process, we undertook several approaches to identify these SUMOylated factors. In particular, we have set up a proteomic screen to identify mRNP components whose assembly onto mRNPs depends on Ulp1 activity.This proteomic survey revealed an Ulp1-dependent regulation of THO complex assembly to mRNPs. This complex, recruited to transcribed genes and mRNPs, is known to regulate transcription elongation by preventing DNA-RNA hybrids formation (termed R-loops), and mRNP export. Through a combination of proteomic analysis of mRNPs assembled in Ulp1 mutant cells, with RNA / chromatin immunoprecipitation experiments, we demonstrate that Ulp1 controls specifically the recruitment of the THO complex within mRNPs. SUMOylation analysis further reveals that Ulp1 targets the THO complex subunit Hpr1 on its C-terminal domain for deSUMOylation. We further show that this SUMOylation event regulates THO complex association within mRNPs. Finally, functional analysis reveal that impaired deSUMOylation of the THO complex do not affect mRNP export, but disturbs expression of LacZ reporter genes, a phenotype classically associated with THO complex dysfunction. Intriguingly, the transcriptional effect of inactivation or impaired deSUMOylation of the THO complex on LacZ expression is alleviated by the presence of an intron, providing a molecular basis for previously reported pre-mRNA leakage phenotypes. Our data therefore unravels for the first time a function of SUMO in the control of mRNP assembly contributing to proper mRNP homeostasis.

Chez les eucaryotes, les pores nucléaires (NPCs), ancrés dans l’enveloppe nucléaire (EN), régulent les échanges nucléocytoplasmiques. Ces complexes, très conservés, sont composés d’une trentaine de protéines appelées nucléoporines (Nups) présentes en multiples copies au sein de chaque NPC. Chez la levure S. cerevisiae, seules quatre Nups, dont la protéine Pom33, possèdent des domaines transmembranaires. Une étude réalisée en amont de ce projet a permis de caractériser Pom33 et de montrer que le mutant pom33∆ est viable et ne présente pas de défaut apparent de transport nucléocytoplasmique mais se caractérise par un défaut de distribution des NPCs. Pom33 joue également un rôle dans l’assemblage des pores nucléaires au sein de l’EN (biogenèse de novo des NPCs). POM33 appartient à une famille de gènes très conservés. Il possède un paralogue chez S. cerevisiae, PER33, qui code pour une protéine localisée majoritairement au réticulum endoplasmique et minoritairement aux NPCs et qui n’est pas impliquée dans la biogenèse des NPCs. Chez les mammifères, il n’existe qu’un homologue de Pom33/Per33, TMEM33. Dans le cadre de ce doctorat, nous nous sommes demandés quels étaient les déterminants contribuant à l’adressage spécifique de Pom33 au niveau des NPCs et à sa fonction dans la biogenèse de ces structures. La purification de Pom33-ProtA, suivie de spectrométrie de masse, nous a permis d’identifier un nouveau partenaire de Pom33, le facteur d’import Kap123. Des approches in vitro ont montré une interaction directe entre Kap123 et le domaine C-terminal (CTD) de Pom33, qui est perturbée en présence de RanGTP. Par ailleurs, des prédictions in silico ont révélé la présence dans ce domaine CTD de deux hélices amphipathiques, conservées chez l’humain. Des analyses par dichroïsme circulaire et flottaisons ont confirmé la capacité du CTD à s’organiser en hélice en présence de membranes lipidiques et à interagir préférentiellement avec les membranes très courbées. L’expression d’une version mutée de Pom33-CTD, incapable de se lier aux membranes et couplée à la GFP, a révélé la capacité de ce domaine à agir comme un NLS, importé spécifiquement dans le noyau par Kap123. Alors que la délétion du domaine CTD affecte l’adressage de Pom33 aux NPCs et provoque un défaut de distribution des NPCs, la mutation des résidus basiques impliqués dans l’interaction avec Kap123 ou des résidus permettant sa liaison aux membranes lipidiques ne récapitule pas ce phénotype. En revanche, la perte combinée de ces deux déterminants affecte l’adressage de Pom33 aux NPCs et provoque un défaut de distribution des NPCs ainsi qu'une interaction génétique avec le mutant nup133∆, impliqué dans la biogenèse de novo des NPCs. Les résultats obtenus lors de cette étude indiquent donc que l’adressage de Pom33 est un mécanisme actif et multifactoriel, qui met en jeu au moins deux déterminants dans son domaine CTD. Ces données indiquent également un rôle de ce domaine dans la biogenèse de novo des NPCs, qui pourrait néanmoins n’être qu’un effet indirect de son rôle dans l’adressage de Pom33 aux NPCs. Au cours de cette étude, nous avons également mis en évidence d’autres partenaires potentiels de Pom33, en particulier Myo2, une localisation de Pom33 au niveau du bourgeon lors de la division et une interaction génétique entre POM33 et KAP123. Ces observations préliminaires ouvrent de nouvelles pistes de réflexion quant au rôle de Pom33 lors de la division cellulaire. / In eukaryotic cells, nucleocytoplasmic exchanges take place through the nuclear pores complexes (NPCs). These conserved macromolecular assemblies are embedded in the nuclear envelope (NE) and composed of ~30 distinct proteins called nucleoporins (Nups), each presents in multiple copies. In the budding yeast Sacharomyces cerevisiae, there are only four transmembrane Nups, including Pom33. A previous study leds to the characterization of Pom33 and revealed that pom33∆ mutant cells, although viable and without apparent alteration in nucleocytoplasmic transport, display NPCs distribution defect. Pom33 also contributes to the biogenesis of NPCs into the intact NE (de novo biogenesis). Pom33 is highly conserved among species and has a paralogue in S. cerevisiae, Per33, which can associate with NPCs but is mainly localized at the endoplasmic reticulum (ER) and NE. Unlike Pom33, Per33 is not involved in NPCs distribution and biogenesis. In mammalian cells, there is a unique homologue of Pom33/Per33, named TMEM33. In the context of this thesis, we aimed to identify the determinants involved in the specific targeting of Pom33 to NPCs and in its function in pore biogenesis. To characterize these determinants, we first performed affinity-purification experiments followed by mass spectrometry analyses. This identified a novel Pom33 partner, the nuclear import factor Kap123. In vitro experiments revealed a direct interaction between Pom33 C-terminal domain (CTD) and Kap123 that involves positively-charged residues within Pom33-CTD and is altered in the presence of Ran-GTP. Moreover, in silico analyses predicted the presence of two evolutionarily-conserved amphipathic ~-helices within Pom33-CTD. Circular dichroism studies and liposome co-floatation assays confirmed that this CTD domain is able to fold into ~-helices in the presence of liposomes and revealed its preferential binding to highly curved lipid membranes. When expressed in yeast, under conditions abolishing Pom33-CTD membrane association, Pom33-CTD behaves as a Kap123-dependent nuclear localization domain. While deletion of Pom33 C-terminal domain (Pom33-∆CTD-GFP) impairs Pom33 NPC targeting and stability and leads to a NPC distribution phenotype, mutants affecting either Kap123 binding or the amphipathic properties of the ~-helices do not display any detectable defect. However, combined impairment of lipid and Kap123 binding affects Pom33 targeting to NPCs and leads to an altered NPC distribution and a genetic interaction with the deletion of NUP133, a gene coding for a nucleoporin involved in NPCs biogenesis. Together, these results indicate that Pom33 targeting to NPCs is an active and multifactorial process that requires at least two determinants within its CTD. They also suggest a role of Pom33-CTD in the de novo NPCs biogenesis process, which could however only be an indirect consequence of its requirement for Pom33 targeting to NPCs. Our mass spectrometry analysis also identified other partners of Pom33, in particular Myo2, a molecular motor required for the cell cycle-regulated transport of various organelles and proteins and for correct alignment of the spindle during mitosis. Our studies also revealed a specific localization of Pom33 at the bud tip during mitosis and a genetic interaction between POM33 and KAP123. Taken together, these preliminary observations open new perspectives regarding additional functions of Pom33 during cell division.