L’épithélium intestinal est une monocouche de cellules qui tapisse la lumière intestinale, constitué d’un compartiment différencié, les villosités dans l’intestin grêle et les plateaux épithéliaux dans le colon, et d’un compartiment prolifératif, les cryptes de Lieberkühn. Ce tissue se renouvelle de façon rapide et continue tout au long de la vie de l’individu, grâce à la présence de cellules souches adultes dans le fond des cryptes. Ces cellules s’autorenouvellent et donnent naissance à des progéniteurs prolifératifs (capables d’engendrer les différents cytotypes épithéliaux) qui se différencient tout en migrant vers le compartiment différencié. Mon travail de these a porté sur l’étude d’une marqueur putatif de ces cellules souches épithéliales intestinales: Musashi1 (Msi1).Dans ce contexte, mon premier axe d’étude s’est focalisé sur l’isolement et la caractérisation des cellules souches épithéliales intestinales chez la souris. Pour cela, nous avons généré des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente GFP sous le contrôle du promoteur de Msi1. Les cellules souches intestinales de ces souris coexpriment donc Msi1 et la GFP. Ce modèle a été validé et nous à permis de isoler les cellules GFP/Msi1 positives dans l’intestin. A l'aide de différentes approches cellulaires et moléculaires, nous avons confirmé leur nature de cellules souches et nous avons apporté des nouvelles données sur la composition de la zone proliférative de l’épithélium intestinal murin.Le second axe de mes travaux de thèse a porté sur l’étude de la fonction de Msi1 dans l'homéostasie de l’épithélium intestinal chez la souris, par son sur-expression tous au long de l’épithélium. Nous avons montré que la sur-expression de cette protéine, qui est un régulateur des voies Wnt et Notch, perturbe l’architecture intestinale, a propriétés pro-prolifératives et un potentiel tumorigènique. / The intestinal epithelium is a monolayer of cells surrounding the intestinal lumen. It consists of a differentiated compartment, the villi in the small intestine and a flat surface in the colon, and a proliferative compartment, the crypts of Lieberkühn. This tissue self-renews rapidly and continuously throughout life, due to the presence of adult stem cells in the bottom of the crypts. These cells are capable of self-renewing and give rise to proliferating progenitors (capable of generating all the different epithelial cytotypes) that differentiate and migrate toward the differentiated compartment. My thesis focused on the study of the intestinal epithelial stem cells marker Musashi1 (Msi1).In this context, the first part of my thesis work focused on the isolation and characterization of the intestinal epithelial stem cells that express Msi1 in the mouse. For this, we generated transgenic mice expressing the fluorescent protein GFP under the control of the promoter of Msi1. The intestinal stem cells of these mice co-express Msi1 and GFP. This model has been validated and allowed us to isolate GFP+/Msi-expressing cells in the intestine. By using different cellular and molecular approches, we confirmed their nature of stem cells and provided new data on the composition of the proliferative zone in the murine intestinal epithelium.The second part of my thesis has focused on the study of the function of Msi1 in the intestinal epithelium homeostasis in the mouse, by its over- and ectopic expression all along the epithelium. We have shown that the over-expression of this protein, which is a regulator of the Wnt and Notch pathways, perturbs the intestinal architecture, has pro-proliferative properties and tumorigenic potential.

Le cycle cellulaire eucaryote se divise en une série de phases ordonnées qui ont pour finalité la division cellulaire. Ce processus est primordial dans la prolifération des cellules normales et le développement, mais il est aussi très fortement dérégulé dans les cellules cancéreuses. Les phases de cycle cellulaire sont différenciées par les tâches effectuées au cours de celles-ci et requièrent l’expression de gènes spécifiques à chacune des phases. Chez l’humain, il existe environ 1000 gènes dont l’expression est dépendante de la phase du cycle cellulaire. Les mécanismes impliqués dans le contrôle de l’expression périodique de ces gènes ont principalement été étudié aux niveaux transcriptionnels et post-traductionnels. Cependant, la régulation post-transcriptionnelle demeure encore peu étudiée dans le contexte du cycle cellulaire, malgré son importance dans le contrôle de l’expression génique. Afin d’identifier des régulateurs post-transcriptionnels du cycle cellulaire, nous avons analysé la corrélation existante entre l’expression des gènes périodiques du cycle cellulaire et celle de 687 protéines liant l’ARN (RNA-binding protein; RBP) sur plus de 1000 spécimens de cancer du sein. Cette analyse nous a permis d’identifier 39 RBP dont les protéines Nuclear Factor 45 (NF45) et Nuclear Factor 90 (NF90). NF45 et NF90 forment un hétérodimère qui lie des structures d’ARN double brin et qui contrôle l’expression génique à différents niveaux de l’épissage à la stabilisation des ARNm. La déplétion de NF45 ou NF90 inhibe la prolifération des cellules en induisant de nombreux défauts mitotiques qui résultent d’une baisse d’expression de plusieurs gènes essentiels à la mitose. D’autre part, à l’aide d’une méthode de protéomique nous avons réalisé l’interactome du complexe NF45-NF90 afin de déterminer à quels niveaux ce mécanisme de régulation prend place et avons identifié une interaction avec le complexe Staufen1/2-UPF1 responsable de la dégradation des ARNm. Ainsi, les niveaux d’expression de certains ARNm importants à la mitose sont conditionnés par une compétition entre NF45-NF90 et Staufen1/2 pour la liaison à ces ARNm. Dans une seconde étude, nous avons recherché les régulations potentielles sur NF45 et NF90 au cours du cycle cellulaire et avons i découvert des évènements de phosphorylation sur NF90 prenant place en phase G2/M. Nous avons montré que cette phosphorylation est médiée par CDK1, et l’activation de CDK1 provoque la translocation de NF90 du noyau vers le cytoplasme. Enfin, au vu de l’implication du complexe NF45-NF90 dans la prolifération des cellules cancéreuses, nous avons réalisé un essai de criblage à haut débit de 120 000 molécules sur l’interaction entre NF45 et NF90. Cet essai nous as permis d’identifier plus de plus 1000 molécules pouvant potentiellement interférer avec le complexe NF45-NF90. Parmi celles-ci, nous avons retrouvé 14 molécules de la famille des glycosides cardiaques, qui sont des composés antiarythmiques mais qui par ailleurs possèdent des effets anticancéreux décrits depuis plusieurs décennies. De façon intéressante, le traitement des cellules à ces composés mène à un phénotype mitotique très similaire à la déplétion de NF45 ou NF90, suggérant une implication du complexe NF45-NF90 dans les effets antimitotiques induits par les glycosides cardiaques. En conclusion, ces études nous ont permis d’éclairer le rôle du complexe NF45-NF90 dans la prolifération cellulaire, mais aussi d’approfondir la compréhension des différents mécanismes impliqués dans le contrôle du cycle cellulaire. / The eukaryotic cell cycle is divided into a series of ordered phases leading to cell division. This process is essential in normal cell proliferation and development, but it is also largely deregulated in cancer cells. Cell cycle phases are differentiated by the different molecular processes performed and expression of specific genes at each phase is determinant. In humans, there are approximately 1000 genes that are periodically expressed throughout the cell cycle. Control of this periodic expression has been well characterized at the transcriptional and post-translational levels. However, post-transcriptional regulation remains little studied in the context of the cell cycle, despite its importance in the control of gene expression. In order to identify post-transcriptional cell cycle regulators, we have correlated the expression of cell cycle genes with the expression of 687 RNA-binding proteins (RBP) in more than 1000 breast cancer specimens. This analysis allowed us to identify 39 RBPs, including Nuclear Factor 45 (NF45) and Nuclear Factor 90 (NF90). NF45 and NF90 form a heterodimer that binds double-stranded RNA structures and controls gene expression at various levels, from splicing to stabilization of mRNAs. Depletion of NF45 or NF90 inhibits cell proliferation by inducing several mitotic defects resulting from decreased expression of many genes essential for mitosis. In order to determine at which levels this regulatory mechanism takes place, we performed a proteomic method to identifyNF45-NF90 proximal interactors and identified an interaction with the Staufen1/2-UPF1 complex responsible for the degradation of mRNAs. Thus, it appears that the expression of some mitotic mRNAs is controlled by a competition between NF45-NF90 and Staufen1/2 for binding to these mRNAs. In a second study, we looked for potential regulations on NF45 and NF90 during the cell cycle and found phosphorylation events on NF90 taking place in the G2/M phase of the cell cycle. We have shown that this phosphorylation is CDK1-dependent, and that CDK1 activation leads to the translocation of NF90 from the nucleus to the cytoplasm. Finally, based on the involvement of the NF45-NF90 complex in cancer cell proliferation, we carried out a high-throughput screening assay of 120,000 ii. Abstract ii molecules on the interaction between NF45 and NF90. This assay allowed us to identify more than 1000 molecules that could potentially interfere with the NF45-NF90 complex. Amongst them, we found 14 molecules belonging to the cardiac glycoside family, which are antiarrhythmic drugs that also display anticancer effects. Interestingly, treatment with cardiac glycosides leads to a mitotic phenotype very similar to the depletion of NF45 or NF90, suggesting an involvement of the NF45-NF90 complex in the antimitotic effects induced by cardiac glycosides. In conclusion, these studies have shed light on the role of the NF45-NF90 complex in cell proliferation, but also deepened our understanding of the different mechanisms involved in cell cycle control.

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.