La localisation subcellulaire de l’ARN permet un déploiement prompt et spatialement restreint autant des activités protéiques que des ARN noncodant. Le trafic d’ARN est dirigé par des éléments de séquences (sous-séquences primaires, structures secondaires), aussi appelés motifs de régulation, présents en cis à même la molécule d’ARN. Ces motifs sont reconnus par des protéines de liaisons aux ARN qui médient l’acheminement des transcrits vers des sites précis dans la cellule. Des études récentes, chez l’embryon de Drosophile, indiquent que la majorité des ARN ont une localisation subcellulaire asymétrique, suggérant l’existence d’un « code de localisation » complexe. Cependant, ceci peut représenter un exemple exceptionnel et la question demeurait, jusqu’ici, si une prévalence comparable de localisation d’ARN est observable chez des cellules standards développées en culture. De plus, des informations facilement disponibles à propos des caractéristiques de distribution topologique d’instances de motifs à travers des transcriptomes complets étaient jusqu’à présent manquantes. Afin d’avoir un aperçu de l’étendue et des propriétés impliquées dans la localisation des ARN, nous avons soumis des cellules de Drosophile (D17) et de l’humain (HepG2) à un fractionnement biochimique afin d’isoler les fractions nucléaire, cytosolique, membranaire et insoluble. Nous avons ensuite séquencé en profondeur l’ARN extrait et analysé par spectrométrie de masse les protéines extraites de ces fractions. Nous avons nommé cette méthode CeFra-Seq. Par des analyses bio-informatiques, j’ai ensuite cartographié l’enrichissement de divers biotypes d’ARN (p. ex. ARN messager, ARN long non codant, ARN circulaire) et protéines au sein des fractions subcellulaires. Ceci a révélé que la distribution d’un large éventail d’espèces d’ARN codants et non codants est asymétrique. Une analyse des gènes orthologues entre mouche et humain a aussi démontré de fortes similitudes, suggérant que le processus de localisation est évolutivement conservé. De plus, j’ai observé des attributs (p. ex. la taille des transcrits) distincts parmi les populations d’ARN messagers spécifiques à une fraction. Finalement, j’ai observé des corrélations et anti-corrélations spécifiques entre certains groupes d’ARN messagers et leurs protéines. Pour permettre l’étude de la topologie de motifs et de leurs conservations, j’ai créé oRNAment, une base de données d’instances présumée de sites de liaison de protéines chez des ARN codants et non codants. À partir de données de motifs de liaison protéique par RNAcompete et par RNA Bind-n-Seq, j’ai développé un algorithme permettant l’identification rapide d’instances potentielles de ces motifs dans un transcriptome complet. J’ai pu ainsi cataloguer les instances de 453 motifs provenant de 223 protéines liant l’ARN pour 525 718 transcrits chez cinq espèces. Les résultats obtenus ont été validés en les comparant à des données publiques de eCLIP. J’ai, par la suite, utilisé oRNAment pour analyser en détail les aspects topologiques des instances présumées de ces motifs et leurs conservations évolutives relatives. Ceci a permis de démontrer que la plupart des motifs sont distribués de façon similaire entre espèces. De plus, j’ai discerné des points communs entre les sous-groupes de protéines liant des biotypes distincts ou des régions d’ARN spécifiques. La présence de tels patrons, similaires ou non, entre espèces est susceptible de refléter l’importance de leurs fonctions. D’ailleurs, l’analyse plus détaillée du positionnement d’un motif entre régions transcriptomiques comparables chez les vertébrés suggère une conservation synténique de ceux-ci, à divers degrés, pour tous les biotypes d’ARN. La topologie régionale de certaines instances de motifs répétées apparaît aussi comme évolutivement conservée et peut être importante afin de permettre une liaison adéquate de la protéine. Finalement, les résultats compilés avec oRNAment ont permis de postuler sur un nouveau rôle potentiel pour l’ARN long non codant HELLPAR comme éponge de protéines liant l’ARN. La caractérisation systématique d’ARN localisés et de motifs de régulation en cis présentée dans cette thèse démontre comment l’intégration d’information à l’échelle transcriptomique permet d’évaluer la prévalence de l’asymétrie, les caractéristiques distinctes et la conservation évolutive de collections d’ARN. / The subcellular localization of RNA allows a rapid and spatially restricted deployment of protein and noncoding RNA activities. The trafficking of RNA is directed by sequence elements (primary subsequences, secondary structures), also called regulatory motifs, present in cis within the RNA molecule. These motifs are recognized by RNA-binding proteins that mediate the transport of transcripts to specific sites in the cell. Recent studies in the Drosophila embryo indicate that the majority of RNAs display an asymmetric subcellular localization, suggesting the existence of a complex "localization code". However, this may represent an exceptional example and the question remained, until now, whether a comparable prevalence of RNA localization is observable in standard cells grown in culture. In addition, readily available information about the topological distribution of pattern instances across full transcriptomes has been hitherto lacking. In order to have a broad overview of the extent and properties involved in RNA localization, we subjected Drosophila (D17) and human (HepG2) cells to biochemical fractionation to isolate the nuclear, cytosolic, membrane and insoluble fractions. We then performed deep sequencing on the extracted RNA and analyzed through mass spectrometry the proteins extracted from these fractions. We named this method CeFra-Seq. Through bioinformatics analyses, I then profiled the enrichment of various RNA biotypes (e.g. messenger RNA, long noncoding RNA, circular RNA) and proteins within the subcellular fractions. This revealed the high prevalence of asymmetric distribution of both coding and noncoding RNA species. An analysis of orthologous genes between fly and human has also shown strong similarities, suggesting that the localization process is evolutionarily conserved. In addition, I have observed distinct attributes (e.g. transcript size) among fraction-specific messenger RNA populations. Finally, I observed specific correlations and anti-correlations between defined groups of messenger RNAs and the proteins they encode. To study motifs topology and their conservation, I created oRNAment, a database of putative RNA-binding protein binding sites instances in coding and noncoding RNAs. Using data from protein binding motifs assessed by RNAcompete and by RNA Bind-n-Seq experiments, I have developed an algorithm allowing their rapid identification in a complete transcriptome. I was able to catalog the instances of 453 motifs from 223 RNA-binding proteins for 525,718 transcripts in five species. The results obtained were validated by comparing them with public data from eCLIP. I then used oRNAment to further analyze the topological aspects of these motifs’ instances and their relative evolutionary conservation. This showed that most motifs are distributed in a similar fashion between species. In addition, I have detected commonalities between the subgroups of proteins linking preferentially distinct biotypes or specific RNA regions. The presence or absence of such pattern between species is likely a reflection of the importance of their functions. Moreover, a more precise analysis of the position of a motif among comparable transcriptomic regions in vertebrates suggests a syntenic conservation, to varying degrees, in all RNA biotypes. The regional topology of certain motifs as repeated instances also appears to be evolutionarily conserved and may be important in order to allow adequate binding of the protein. Finally, the results compiled with oRNAment allowed to postulate on a potential new role for the long noncoding RNA HELLPAR as an RNA-binding protein sponge. The systematic characterization of RNA localization and cis regulatory motifs presented in this thesis demonstrates how the integration of information at a transcriptomic scale enables the assessment of the prevalence of asymmetry, the distinct characteristics and the evolutionary conservation of RNA clusters.

L'α-synucléine est reconnue comme une protéine clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson ainsi que d'autres troubles neurodégénératifs appelés synucléinopathies. Dans ces maladies, la surexpression de l’α-synucléine entraîne la formation d'agrégats toxiques dans les neurones dopaminergiques (DA). Dans cette thèse, nous avons exploré l’effet de la régulation de microARN (miARN) sur l’expression de l’α-synucléine. Pour se faire, des études ont été menées avec la lignée cellulaire humaine SH-SY5Y qui peut être différenciée pour créer un modèle de neurones DA et ensuite traitée avec une neurotoxine pour induire des caractéristiques cellulaires de la maladie de Parkinson. Des observations importantes ont été supportées dans des modèles cellulaires plus avancés, notamment les neurones induits par reprogrammation directe de fibroblastes humains (iNs) et les neurones DA primaires de souris purifiés. Le premier objectif était de mieux comprendre comment la surexpression aberrante de l'α synucléine dans les synucléinopathies pourrait être due à une dérégulation de la maturation des miARN qui ciblent son ARN messager. Tout d’abord, nous avons sélectionné les miARN les plus susceptibles d'avoir un effet régulateur sur l’expression de l’α-synucléine à partir de recherche de la littérature et d’analyse de bases de données spécialisées. Nous avons observé que l’augmentation de l'expression de l'α-synucléine associée à l’ajout de neurotoxine est accompagnée d’une diminution concomitante de l'expression de plusieurs miARN sélectionnés. Sur la base de ces résultats, l'impact de ces miARN sur l'expression de l'α-synucléine a été évalué dans plusieurs types de cellules humaines, notamment les HEK 293T, les SH-SY5Y différenciées et les iNs. À cette fin, nous avons utilisé des cibles de miARN exogènes pour réprimer l'activité régulatrice des miARN et avons mesuré leur effet sur l'expression de l'α synucléine. Ainsi, nous avons démontré que la répression de miR-7, miR-93, miR-140, miR 153 et miR 214 mène systématiquement à la surexpression de l’α-synucléine dans les différents types de cellules. De plus, nous avons démontré que certains miARN sont régulés de manière post-transcriptionnelle en mesurant les niveaux des formes immatures et matures des miARN dans différents contextes cellulaires. Le deuxième objectif était d’identifier des protéines potentiellement aptes à réguler la maturation post-transcriptionnelle de miARN. Des études de purification par affinité et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier les protéines qui s’associent avec la tige-boucle des formes immatures des miARN et régulent potentiellement leur maturation. Quelques protéines candidates ont été sélectionnées sur la base d’analyse informatique pour examiner l’effet de leur surexpression dans différents essais cellulaires. À ce jour, nous avons identifié quatre protéines (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) qui, en plus de répondre à certains critères de bases (lient l’ARN, sont présentes dans le cerveau et impliquées dans des maladies associées au système nerveux), ont un effet sur l’activité et l’expression de miR-153 ainsi que sur l’expression de l’α-synucléine. Ces travaux ont permis d’établir de solides bases dans notre compréhension de la régulation de l'α-synucléine par les miARN et d’ouvrir la voie à des études plus élaborées qui permettront d’établir les mécanismes de régulation des niveaux de miARN qui ciblent l’α-synucléine. À plus long terme, cet axe de recherche pourrait fournir des pistes pour le développement d'outils diagnostiques et thérapeutiques pour les synucléinopathies. / Alpha-synuclein is a key protein in the pathophysiology of Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders called synucleinopathies. In these diseases, overexpression of α-synuclein leads to the formation of toxic aggregates in dopaminergic (DA) neurons. In this thesis, we explored the effect of microRNA (miRNA) regulation on α-synuclein expression. To do so, studies were conducted with the human SH-SY5Y cell line, which can be differentiated to create a model of DA neurons and then treated with a neurotoxin to induce cellular features of Parkinson's disease. Important observations were supported in more advanced cell models, including neurons induced by direct reprogramming of human fibroblasts (iNs) and purified primary mouse DA neurons. The first objective was to better understand how aberrant overexpression of α-synuclein in synucleinopathies results in the deregulation of the maturation of miRNAs that target its messenger RNA. First, we selected the miRNAs most likely to have a regulatory effect on α-synuclein expression based on literature searches and specialized database analyses. We observed that the increase in α-synuclein expression associated with neurotoxin addition is accompanied by a concomitant decrease in the expression level of several selected miRNAs. Based on these results, the impact of these miRNAs on αsynuclein expression was evaluated in several human cell types, including HEK 293T, differentiated SHSY5Y, and iNs. To this end, we used exogenous miRNA targets to repress miRNA regulatory activity and measured their effect on α-synuclein expression. Thus, we demonstrated that repression of miR-7, miR-93, miR-140, miR-153, and miR-214 consistently leads to overexpression of α-synuclein in different cell types. In addition, we demonstrated that some miRNAs are regulated in a posttranscriptional manner by measuring the levels of immature and mature forms of miRNAs in different cellular contexts. The second objective was to identify proteins potentially able to regulate the post-transcriptional maturation of miRNAs. Affinity purification and mass spectrometry studies were used to identify proteins that associate with the stem-loop of immature forms of miRNAs and potentially regulate their maturation. A few candidate proteins were selected based on computational analysis to examine the effect of their overexpression in different cell-based assays. To date, we have identified four proteins (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) that, in addition, to fitting basic criteria (known to bind RNA, are present in the brain and associated with nervous system-related diseases) affect miR-153 activity and expression as well as α-synuclein expression. This work has established a solid foundation in our understanding of the regulation of α-synuclein by miRNAs and has paved the way for more elaborate studies that will establish the mechanisms of regulation of miRNA levels that target α-synuclein. In the longer term, this line of research could provide avenues for the development of diagnostic and therapeutic tools for synucleinopathies.

[ES] La biología sintética tiene como objetivo diseñar y construir nuevos sistemas biológicos con funciones deseadas. Los circuitos basados en el control transcripcional han tenido preponderancia en este campo tras el trabajo pionero del toggle switch y del repressilator. Sin embargo, para avanzar en la creación de tecnologías transformadoras que utilicen circuitos genéticos sintéticos, es esencial una combinación de mecanismos de control confiables en todo el flujo de la información genética. Esta combinación es necesaria para alcanzar el nivel de integrabilidad y complejidad funcional observado en la naturaleza. En tal sentido, recientemente han ganado atención los circuitos basados en regulación postranscripcional. En particular, se ha aprovechado la gran programabilidad de ARN para crear circuitos reguladores para la biodetección de señales ambientales o para controlar la vía metabólica en la bioproducción. En esta tesis, por el contrario, proponemos explotar las proteínas de unión a ARN para diseñar circuitos sintéticos que operen a nivel de traducción en la bacteria Escherichia coli. Esta tesis pretende estudiar como surge y se propaga el ruido cuando la expresión genética está regulada por un factor de traducción, y la ampliación de la caja de herramientas de la biología sintética con una nueva caracterización de proteínas de unión a ARN adecuadas. Por un lado, hemos diseñado un circuito de control postrancripcional utilizando la proteína de cápside del fago MS2. Mediante una meticulosa monitorización a nivel unicelular tanto del regulador como del gen regulado, hemos cuantificado el comportamiento dinámico del sistema, así como su estocasticidad. Si bien los esfuerzos anteriores se centraron en comprender la propagación del ruido en las regulaciones transcripcionales, el comportamiento estocástico de los genes regulados a nivel de la traducción sigue siendo en gran medida desconocido. Nuestros datos han revelado que un factor de traducción de proteínas ha permitido una fuerte represión a nivel unicelular, ha amortiguado la propagación del ruido de un gen a otro y ha conducido a una sensibilidad no lineal a las perturbaciones globales en la traducción. Estos descubrimientos han mejorado significativamente nuestra comprensión de la expresión genética estocástica y han proporcionado principios de diseño fundamentales para aplicaciones de biología sintéticas. Por otro lado, aprovechamos el motivo de reconocimiento de ARN (RRM), el dominio proteico de unión a ARN mas prevalente en la naturaleza, a pesar de su predominio en los filos eucariotas, para diseñar un sistema de control postranscripcional ortogonal en Escherichia coli. Aprovechando la proteína de unión a ARN de mamífero Musashi-1, que contiene dos RRM canónicos, desarrollamos un circuito sofisticado. Musashi-1 ha funcionado como represor de la traducción alostérico a través de su interacción especifica con la región codificante N-terminal del ARN mensajero, mostrando capacidad de respuesta a los ácidos grasos. La caracterización integral tanto a nivel poblacional como unicelular ha destacado un cambio significativo en la expresión del reportero. Se obtuvieron conocimientos moleculares a través de la cinética de unión in vitro y evaluaciones de funcionalidad in vivo de una serie de mutantes de ARN. Este trabajo ha mostrado la adaptabilidad de la regulación basada en RRM a organismos mas simples, introduciendo una nueva capa regulatoria para el control de la traducción en procariotas y, en ultima instancia, ampliando los horizontes de la manipulación genética. / [CA] La biologia sintètica té per objectiu dissenyar i construir nous sistemes biològics amb funcions desitjades. Els circuits basats en el control transcripcional han tingut preponderancia en aquest camp després del treball pioner del toggle switch i del repressilator. Tot i això, per avançar en la creació de tecnologies transformadres que utilitzin circuits genètics sintètics, és esencial una combinació de mecanismes de control fiables en tot el flux de la información genètica. Aquesta combinació és necessària per assolir el nivel d'integrabilitat i complexitat funcional observat a la natura. En aquest sentit, recentement han guanyat atenció els circuits basats en regulació posttranscripcional. En particular, s'ha aprofitat la gran programabilitat d'ARN per crear circuits reguladors per a la biodetecció de senyals ambientals o per controlar la via metabólica a la bioproducció. En aquesta tesi, per contra, proposem exlotar les proteïnes d'unió a ARN per dissenyar circuits sintètics que operin a nivel de traducció al bacteri Escherichia coli. Aquesta tesi pretén estudiar com sorgeix i es propaga el soroll quan l'expressió genètica està regulada per un factor de traducció, il'ampliació de la caixa d'eines de la biología sintètica amb una nova caracteriació de proteïnes d'unió a ARN adequades. D'una banda, hem dissenyat un circuit de control postranscripcional utilitzant la proteína de càpsid del fag MS2. Mitjançant una meticulosa monitorització a nivel inucel·lular tant del regulador com del gen regulat, hem quantificat el comportament dinàmic del sistema, així com la seva estocasticitat. Tot i que els esforços anteriors es van centrar a comprendre la propagació del soroll en les regulacions transcripcionals, el comportament estocàstic dels gens regulats a nivell de la traducció continua sent en gran mesura desonegut. Les nostres dades han revelat que un factor de traducció de proteïnes ha permès una forta repressió a nivell unicel·lular, ha esmorteït la propagació del soroll d'un gen a un altre i ha conduït a una sensibilitat no lineal a les pertorbacions globals a la traducció. Aquest descobriments han millorat significativament la nostra comprensió de l'expressió genètica estocástica i han proporcionat principis de sisseny fonamentals per a aplicacions de biología sintètiques. D'altra banda, aprofitem el motiu de reconeixement d'ARN (RRM), el domini proteic d'unió a ARN més prevalent a la natura, malgrat el seu predomini als talls eucariotes, per dissenyar un sistema de control posttranscripcional ortogonal a Escherichia coli. Aprofitant la proteína d'unió a ARN de mamífers Musashi-1, que conté dos RRM canònics, hem desenvolupat un circuit sofisticat. Musashi-1 va funcionar com un repressor de la traducció al·lostèric a través de la seva interacció específica amb la regió codificant N-terminal de l'ARN missatger, mostrant capacitat de resposta als àcids grassos. La caracterització integral tant a nivel poblacional com unicèl·lular va destacar un canvi significatiu a l'expressió de l'informador. S'obtingueren coneixements moleculars a través de la cinètica d'unió in vitro i avaluacions de funcionalitat in vivo d'una sèrie de mutants d'ARN. Aquest treball va mostrar l'adaptabilitat de la regulació basada en RRM a organismos més simples, introduint una nova capa regulatòria per al control de la traducció en procariotes i, en darrer terme, ampliant els horitzons de la manipulació genètica. / [EN] Synthetic biology seeks to design and construct new biological systems with desired functions. Circuits based on transcriptional control have been preponderant in the field following the pioneering work of the toggle switch and repressilator. However, to advance the creation of transformative technologies using synthetic genetic circuits, a blend of dependable control mechanisms throughout the genetic information flow is essential. This combination is necessary to attain the level of integrability and functional complexity observed in nature. In this regard, circuits based on post-transcriptional regulation have recently gained attention. In particular, the great programmability of RNA has been exploited to create regulatory circuits for biosensing of environmental signals or for controlling metabolic pathway in bioproduction. In this thesis, in contrast, we propose to exploit RNA-binding proteins to engineer synthetic circuits that operate at the level of translation in the bacterium Escherichia coli. This thesis intends to study how noise emerges and propagates when gene expression is regulated by a translation factor, and the expansion of the synthetic biology toolbox with new characterization of suitable RNA-binding proteins. On the one hand, we engineered a post-transcriptional control circuit using the phage MS2 coat protein. Through meticulous single-cell level monitoring of both the regulator and the regulated gene, we quantified the dynamic behavior of the system, as well as their stochasticity. While previous efforts focused on understanding noise propagation in transcriptional regulations, the stochastic behavior of genes regulated at the translation level remain largely unknown. Our data revealed that a protein translation factor enabled strong repression at the single-cell level, buffered noise propagation from gene to gene, and led to a nonlinear sensitivity to global perturbations in translation. These findings significantly enhanced our understanding of stochastic gene expression and provided foundational design principles for synthetic biology applications. On the other hand, we harnessed the RNA recognition motif (RRM), the most prevalent RNA-binding domain in nature, despite its predominance in eukaryotic phyla, to engineer an orthogonal post-transcriptional control system in Escherichia coli. Leveraging the mammalian RNA-binding protein Musashi-1, which contains two canonical RRMs, we developed a sophisticated circuit. Musashi-1 functioned as an allosteric translation repressor through its specific interactions with the N-terminal coding region of messenger RNA, exhibiting responsiveness to fatty acids. Comprehensive characterization at both population and single-cell levels highlighted a significant fold change in reporter expression. Molecular insights were gleaned through in vitro binding kinetics and in vivo functionality assessments of a series of RNA mutants. This work showcased the adaptability of RRM-based regulation to simpler organisms, introducing a novel regulatory layer for translation control in prokaryotes, ultimately expanding the horizons of genetic manipulation. / Dolcemascolo, R. (2023). Engineering post-transcriptional regulation of gene expression with RNA-binding proteins [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202194

Neurotrophins and their receptors are key molecules in the development of thenervous system. Neurotrophin-3 binds preferentially to its high-affinity receptorNTRK3, which exists in two major isoforms in humans, the full-length kinaseactiveform (150 kDa) and a truncated non-catalytic form (50 kDa). The twovariants show different 3'UTR regions, indicating that they might be differentiallyregulated at the post-transcriptional level. In this work we explore howmicroRNAs take part in the regulation of full-length and truncated NTRK3,demonstrating that the two isoforms are targeted by different sets of microRNAs.We analyze the physiological consequences of the overexpression of some of theregulating microRNAs in human neuroblastoma cells. Finally, we providepreliminary evidence for a possible involvement of miR-124 - a microRNA with noputative target site in either NTRK3 isoform - in the control of the alternativespicing of NTRK3 through the downregulation of the splicing repressor PTBP1. / Las neurotrofinas y sus receptores constituyen una familia de factores crucialespara el desarrollo del sistema nervioso. La neurotrofina 3 ejerce su funciónprincipalmente a través de una unión de gran afinidad al receptor NTRK3, del cualse conocen dos isoformas principales, una larga de 150KDa con actividad de tipotirosina kinasa y una truncada de 50KDa sin dicha actividad. Estas dos isoformasno comparten la misma región 3'UTR, lo que sugiere la existencia de unaregulación postranscripcional diferente. En el presente trabajo se ha exploradocomo los microRNAs intervienen en la regulación de NTRK3, demostrando que lasdos isoformas son reguladas por diferentes miRNAs. Se han analizado lasconsecuencias fisiológicas de la sobrexpresión de dichos microRNAs utilizandocélulas de neuroblastoma. Finalmente, se ha estudiado la posible implicación delmicroRNA miR-124 en el control del splicing alternativo de NTRK3 a través de laregulación de represor de splicing PTBP1.