Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / La protéine multifonctionnelle p54nrb , enrichie dans un nouveau domaine nucléaire nommé paraspeckles, fait partie de complexes de transcription/épissage comprenant l'ARN polymérase II et son partenaire PSF. Des travaux récents effectués dans notre laboratoire montrent que p54nrb est phosphorylée en mitose (Proteau A., Blier S., Albert A.L., Lavoie S.B., Traish A. M. and Vincent M. (2005) J. Mol. Biol. 346, 1163-1172). La phosphorylation est une modification post-traductionnelle pouvant affecter la localisation cellulaire d'une protéine, ses interactions, sa dégradation et son activité. Pour étudier l'impact de la phosphorylation mitotique de p54nrb , sa localisation cellulaire a été comparée en interphase et en mitose par immunofluorescence indirecte. Les résultats ont montré que la phosphorylation ne semble pas affecter sa localisation aux paraspeckles en mitose. Ensuite, ses interactions dans le complexe transcription/épissage ont été vérifiées en mitose par immunoprécipitation et pulldown. Les résultats ont montré que la phosphorylation ne semble pas affecter le complexe p54nrb-PSF-ARN polymérase II en mitose in vitro. Des analyses biochimiques ont finalement montré que la phosphorylation de p54nrb ne semble pas non plus empêcher son association à la matrice nucléaire. L'étude antérieure, citée précédemment, a également montré que p54nrb est reconnue par la peptidyl-prolyl isomérase Pinl en mitose. La juglone, un inhibiteur enzymatique de Pinl, a été utilisée pour évaluer l'effet de l'interaction de Pinl sur le niveau de phosphorylation de p54nrb . Les résultats ont montré que l'inhibition de Pinl empêche la déphosphorylation de p54nrb à la fin de la mitose ainsi que celle de PSF, nouveau substrat de Pinl. La protéine Pinl pourrait réguler chaque membre du complexe p54nrb-PSF-ARN polymérase II à la reprise du cycle cellulaire.

Dans certaines situations physiologiques et pathologiques, la concentration tissulaire en oxygène diminue grandement, créant ainsi une situation d'hypoxie. Heureusement, les cellules de mammifères possèdent un mécanisme de réponse efficace envers un stress hypoxique assuré par le facteur de transcription inductible par l'hypoxie, HIF-1. Le facteur HIF-1 est constitué de deux sous-unités : HIF-1β et HIF-1α. La sous-unité HIF-1β demeure invariable en fonction des niveaux d'oxygénation. En revanche, la sous-unité HIF-1 a est hautement régulée par les niveaux d'oxygénation. En normoxie, HIF-1α est rapidement hydroxylée par les prolyl-hydroxylases (PHD). L'hydroxylation de HIF-1α mène à sa reconnaissance par la protéine E3-ubiquitine ligase pVHL (von Hippel-Lindau protein), ciblant ainsi la protéine HIF-1 a ubiquitinylée vers la dégradation par le protéasome. À l'inverse, en hypoxie, l'hydroxylation de HIF-la est fortement diminuée, ce qui provoque la stabilisation de HIF-1α et la formation du dimère HIF-1 responsable de l'expression des gènes cibles impliqués dans la réponse adaptatrice des cellules à l'hypoxie. Outre l'hydroxylation et l'ubiquitinylation, la sous-unité a subie également plusieurs autres modifications telles que la phosphorylation, la sumoylation et la S-nitrosylation. Les travaux présentés dans cette thèse visent à démontrer l'impact de nouvelles modifications post-traductionnelles de HIF-1α sur l'activité du facteur HIF-1. Dans un premier temps, des travaux portant sur l'acétylation de la sous-unité HIF-1α par l'acetyltransferase ARD1 (Arrest-defective-1) seront présentés. En 2002, une étude démontrait que la protéine ARD1 était responsable de l'acétylation de HIF-1α, contribuant ainsi à son association avec pVHL et à sa dégradation. Cependant, nos travaux démontrent plutôt qu'ARDl n'est pas impliquée dans la stabilité de HIF-1α. Dans un deuxième temps, nous démontrons un rôle clé de la peptidyl-prolyl isomérase PIN1 sur l'activité transcriptionnelle du facteur HIF-1 et l'expression d'un gène cible important, le facteur de croissance des cellules endothéliales vasculaires (VEGF). Finalement, nous présentons des travaux impliquant la methylation de HIF-1α et le rôle important de cette modification sur l'activité du facteur HIF-1. Bref, l'étude de nouvelles modifications de la protéine HIF-1α s'avère donc fondamentale pour la compréhension de la régulation de HIF-1, tant au niveau des fonctions physiologiques et pathologiques importantes de HIF-1 qu'au niveau du développement de stratégie thérapeutique.

La régulation de la transcription est un processus complexe qui a évolué pendant des millions d’années permettant ainsi aux cellules de s’adapter aux changements environnementaux. Notre laboratoire étudie le rôle de la rapamycine, un agent immunosuppresseur et anticancéreux, qui mime la carence nutritionelle. Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réponse a la rapamycine, nous recherchons des mutants de la levure Saccaromyces cerevisiae qui ont un phenotype altérée envers cette drogue. Nous avons identifié le gène RRD1, qui encode une peptidyl prolyl isomérase et dont la mutation rend les levures très résistantes à la rapamycine et il semble que se soit associé à une réponse transcriptionelle alterée. Mon projet de recherche de doctorat est d’identifier le rôle de Rrd1 dans la réponse à la rapamycine. Tout d’abord nous avons trouvé que Rrd1 interagit avec l’ARN polymérase II (RNAPII), plus spécifiquement avec son domaine C-terminal. En réponse à la rapamycine, Rrd1 induit un changement dans la conformation du domaine C-terminal in vivo permettant la régulation de l’association de RNAPII avec certains gènes. Des analyses in vitro ont également montré que cette action est directe et probablement liée à l’activité isomérase de Rrd1 suggérant un rôle pour Rrd1 dans la régulation de la transcription. Nous avons utilisé la technologie de ChIP sur micropuce pour localiser Rrd1 sur la majorité des gènes transcrits par RNAPII et montre que Rrd1 agit en tant que facteur d’élongation de RNAPII. Pour finir, des résultats suggèrent que Rrd1 n’est pas seulement impliqué dans la réponse à la rapamycine mais aussi à differents stress environnementaux, nous permettant ainsi d’établir que Rrd1 est un facteur d’élongation de la transcription requis pour la régulation de la transcription via RNAPII en réponse au stress. / Transcriptional regulation is a complex process that has evolved over millions of years of evolution. Cells have to sense environmental conditions and adapt to them by altering their transcription. Herein, we study the role of rapamycin, an immunosuppressant and anticancer molecule that mimics cellular starvation. To understand how the action of rapamycin is mediated, we analyzed gene deletion mutants in the yeast Saccharomyces cerevisiae that have an altered response to this drug. Deletion of RRD1, a gene encoding a peptidyl prolyl isomerase, causes strong resistance to rapamycin and this was associated with a role of Rrd1 in the transcriptional response towards rapamycin. The main focus of my PhD was therefore to unravel the role of Rrd1 in response to rapamycin. First, we discovered that Rrd1 interacts with RNA polymerase II (RNAPII), more specifically with its C-terminal domain and we showed that in response to rapamycin, Rrd1 alters the structure of this C-terminal domain. This phenomenon was confirmed to be directly mediated by Rrd1 in vitro, presumably through its peptidyl prolyl isomerase activity. Further, we demonstrated that Rrd1 is capable of altering the occupancy of RNAPII on genes in vivo and in vitro. With the use of ChIP on chip technology, we show that Rrd1 is actually a transcription elongation factor that is associated with RNAPII on actively transcribed genes. In addition, we demonstrate that Rrd1 is indeed required to regulate the expression of a large subset of genes in response to rapamycin. This data let us propose a novel mechanism by which Rrd1 regulates RNAPII during transcription elongation. Finally, we provide evidence that Rrd1 is not only required for an efficient response towards rapamycin but to a larger variety of environmental stress conditions, thus establishing Rrd1 as a transcriptional elongation factor required to fine tune the transcriptional stress response of RNAPII.

La régulation de la transcription est un processus complexe qui a évolué pendant des millions d’années permettant ainsi aux cellules de s’adapter aux changements environnementaux. Notre laboratoire étudie le rôle de la rapamycine, un agent immunosuppresseur et anticancéreux, qui mime la carence nutritionelle. Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réponse a la rapamycine, nous recherchons des mutants de la levure Saccaromyces cerevisiae qui ont un phenotype altérée envers cette drogue. Nous avons identifié le gène RRD1, qui encode une peptidyl prolyl isomérase et dont la mutation rend les levures très résistantes à la rapamycine et il semble que se soit associé à une réponse transcriptionelle alterée. Mon projet de recherche de doctorat est d’identifier le rôle de Rrd1 dans la réponse à la rapamycine. Tout d’abord nous avons trouvé que Rrd1 interagit avec l’ARN polymérase II (RNAPII), plus spécifiquement avec son domaine C-terminal. En réponse à la rapamycine, Rrd1 induit un changement dans la conformation du domaine C-terminal in vivo permettant la régulation de l’association de RNAPII avec certains gènes. Des analyses in vitro ont également montré que cette action est directe et probablement liée à l’activité isomérase de Rrd1 suggérant un rôle pour Rrd1 dans la régulation de la transcription. Nous avons utilisé la technologie de ChIP sur micropuce pour localiser Rrd1 sur la majorité des gènes transcrits par RNAPII et montre que Rrd1 agit en tant que facteur d’élongation de RNAPII. Pour finir, des résultats suggèrent que Rrd1 n’est pas seulement impliqué dans la réponse à la rapamycine mais aussi à differents stress environnementaux, nous permettant ainsi d’établir que Rrd1 est un facteur d’élongation de la transcription requis pour la régulation de la transcription via RNAPII en réponse au stress. / Transcriptional regulation is a complex process that has evolved over millions of years of evolution. Cells have to sense environmental conditions and adapt to them by altering their transcription. Herein, we study the role of rapamycin, an immunosuppressant and anticancer molecule that mimics cellular starvation. To understand how the action of rapamycin is mediated, we analyzed gene deletion mutants in the yeast Saccharomyces cerevisiae that have an altered response to this drug. Deletion of RRD1, a gene encoding a peptidyl prolyl isomerase, causes strong resistance to rapamycin and this was associated with a role of Rrd1 in the transcriptional response towards rapamycin. The main focus of my PhD was therefore to unravel the role of Rrd1 in response to rapamycin. First, we discovered that Rrd1 interacts with RNA polymerase II (RNAPII), more specifically with its C-terminal domain and we showed that in response to rapamycin, Rrd1 alters the structure of this C-terminal domain. This phenomenon was confirmed to be directly mediated by Rrd1 in vitro, presumably through its peptidyl prolyl isomerase activity. Further, we demonstrated that Rrd1 is capable of altering the occupancy of RNAPII on genes in vivo and in vitro. With the use of ChIP on chip technology, we show that Rrd1 is actually a transcription elongation factor that is associated with RNAPII on actively transcribed genes. In addition, we demonstrate that Rrd1 is indeed required to regulate the expression of a large subset of genes in response to rapamycin. This data let us propose a novel mechanism by which Rrd1 regulates RNAPII during transcription elongation. Finally, we provide evidence that Rrd1 is not only required for an efficient response towards rapamycin but to a larger variety of environmental stress conditions, thus establishing Rrd1 as a transcriptional elongation factor required to fine tune the transcriptional stress response of RNAPII.

L'unité structurale de la chromatine, nommée nucléosome, est composée d'un double brin d'ADN enroulé autour d'un octamère d'histone, et subit une pléthore de modifications post-traductionnelles. Les conséquences biologiques de l’acétylation des lysines et de l’isomérisation des liaisons peptidyl-prolyl ont été étudiées à travers une analyse à l’échelle atomique par RMN de systèmes d'intérêt reconstitués in vitro. Les liaisons peptidyl-prolyl du domaine N-terminal de l'histone H3 sont substrats in vitro d’une isomérase chez S. cerevisiae nommée Fpr4p, laquelle exerce un contrôle catalyse-dépendant de la transcription. La résolution de la structure du domaine catalytique de Fpr4p, à partir de contraintes géométriques mesurées par RMN, révéla un domaine canonique de la famille FKBP (FK506-binding protein). Grâce à l'analyse de la séquence primaire et aux expériences RMN, nous proposons un modèle structural préliminaire de Fpr4p entière. L'analyse fonctionnelle est réalisée grâce à trois décapeptides construits à partir de la séquence primaire de H3 chez S. cerevisiae. Ils sont tous substrats de Fpr4p et la catalyse est équivalente pour Pro16 et Pro30. La proportion à l'équilibre du conformère cis fut déterminée pour les trois peptides et celle-ci n'est pas affectée par l'activité catalytique de Fpr4p. Les structures en solution des substrats en conformation trans ont été résolues par spectroscopie RMN, et seront utilisées pour des appariements moléculaires in silico sur le domaine catalytique de Fpr4p. Pour étudier le rôle biologique de l'acétylation des histones, une méthodologie de production de protéines acétylées a été développée. Le protocole repose sur la mutation d'une lysine en cystéine d'une protéine recombinante, suivie d'une alkylation contrôlée exploitant la nucléophilie du groupe thiol préalablement introduit. La production de l'agent alkylant adéquat est simple, rapide, réalisable dans un laboratoire de biologie et permet différents marquages isotopiques du groupe acétyle. L'alkylation d'une protéine repliée fut réalisée avec succès en conditions natives. Le dimère d'histone H2A-H2B, un intermédiaire de l'assemblage du nucléosome et siège d'acétylation in vivo, fut reconstruit in vitro. Les déplacements chimiques des domaines N et C-terminaux de H2A sont cohérents avec un état intrinsèquement déstructuré bien que leurs dynamiques moléculaires ne soient pas équivalentes. / The structural unit of chromatin, the nucleosome, is composed of double-stranded DNA wrapped around a histone octamer and is subject to a plethora of post-translational modifications. The biological consequences of peptidyl-prolyl isomerization and lysine acetylation were investigated at atomic scale through analysis of in vitro reconstituted systems by NMR. Peptidyl-prolyl bonds of histone H3 N-terminal domain are substrates in vitro of an isomerase from S. cerevisiae named Fpr4p, which underlies transcriptional control dependent on its catalytic activity. The solution structure of the catalytic domain of Fpr4p was calculated based on restraints from NMR spectroscopy, and reveals a canonical catalytic domain belonging to the FK506-binding protein (FKBP) family. Based on primary sequence analysis and NMR experiments, a preliminary structural model of full length Fpr4p is also presented. Functional analyses were performed with three decapeptides designed from the primary sequence from the N-terminal tail of S. cerevisiae histone H3. All three constitute substrates of Fpr4p, with equivalent catalysis observed for Pro16 and Pro30. The equilibrium proportion of the cis-proline conformer has been determined for all three decapeptides, and these populations are unaffected by Fpr4p catalytic activity. Structural ensembles of the substrates with proline in the trans conformation were determined by using NMR spectroscopy, and will be subsequently used for in silico molecular docking onto Fpr4p. To study a second form of histone regulation, a semi-synthetic method to produce acetylated protein was developed. The protocol relies on the site-specific mutation of lysine to cysteine in recombinant proteins followed by controlled alkylation thanks to nucleophilicity of the introduced thiol. The production of the required alkylation reagent is easy, quick, and suitable for biology laboratory and allows diverse isotopic labeling within the acetyl group. Alkylation of folded proteins has also been achieved in native conditions. As one target of acetylation in vivo, the histone H2A-H2B dimer is an intermediate of nucleosome assembly and was reconstituted in vitro. Chemical shift values of the N- and C-terminal domains of H2A are in agreement with an intrinsically disordered state although they display differences in dynamic mobility.