Chez les mammifères, l'infection par l'adénovirus conduit à l'activation de la transcription de certains éléments SINE Alu. Il s'agit d'un mécanisme conservé car il est observé avec d'autres familles de virus. Adénovirus code pour une protéine, E1A qui est capable d'interagir avec la protéine Rétinoblastome (RB). Cette interaction provoque l'inactivation de RB ce qui provoque probablement l'activation transcriptionelle des éléments Alu. Ainsi, chez les mammifères, certaines protéines virales agissent négativement sur RB ce qui a pour conséquence de déréguler le cycle cellulaire, la transcription pol III de manière générale et la transcription des éléments SINE en particulier. Chez les plantes, l'activation de la transcription des éléments SINE à la suite d'un stress comme l'infection virale reste à démontrer. Cependant, le virus FBNYV possède au sein de son génome une protéine, CLINK, qui est entre autre constituée d'un domaine de liaison à RB similaire à celui retrouvé chez E1A d'adénovirus. La première étape de ce travail de thèse a porté sur l'analyse de la protéine CLINK et plus particulièrement l'effet de cette protéine sur le cycle cellulaire, sur la transcription pol III en général et sur la transcription des SINE endogènes de plantes. La seconde partie de cette étude porte sur la fonction des éléments SINE de plantes au sein de la cellule. Chez les mammifères, l'élément SINE Alu est capable de jouer un rôle dans la physiologie de la cellule en réponse à certains stress. En effet, la transcription de ces éléments est activée à la suite d'une infection par certaines familles de virus. Les transcrits ainsi produits sont alors capables d'interagir avec la protéine PKR, une kinase d'eIF2α. Ainsi, les éléments SINE sont capables d'intervenir dans des processus clefs de la cellule comme le mécanisme de régulation de la traduction. La seule kinase d'eIF2α identifiée chez les plantes est la protéine GCN2. Ainsi, nous avons choisit de caractériser la fonction de cette protéine chez Arabidopsis. Nous avons déterminé les mécanismes de régulation de la protéine en mettant en évidence certains inducteurs spécifiques aux plantes. Ce travail a permis de montrer l'importance de la protéine pour la plante et de découvrir des fonctions potentielles de la protéine dans des voies de stress typiques des végétaux. Enfin, l'impact des SINE de plantes sur l'activité de GCN2 a été analysé.

L’analyse des régulations de l’expression des gènes chez les bactéries permet de comprendre l’adaptation des bactéries à leur environnement et dans un contexte de biologie de synthèse d’optimiser la production microbienne de molécules d’intérêt. Notre objectif a été d’étudier la traduction au niveau du génome et ses relations avec les autres processus cellulaires par une approche de biologie des systèmes. Le traductome a été mesuré : pour chacun des ARN messagers, son pourcentage de copies en traduction et sa densité en ribosomes. Pour la première fois, une image complète de l’état traductionnel de E. coli en croissance rapide a été obtenue, caractérisée par une majorité de transcrits avec un très fort pourcentage de copies en traduction mais faiblement chargés en ribosomes. Notre modèle statistique a identifié des facteurs liés à la séquence comme déterminants de la traduction et le rôle important d’un paramètre physiologique : la concentration en ARNm. Pour la première fois, cet effet de la transcription sur la traduction a été validé à l’échelle moléculaire sur plusieurs gènes. Nous avons montré qu’une augmentation de la concentration d’un ARNm par induction transcriptionnelle entrainait une augmentation du pourcentage de copies en traduction et de la charge en ribosomes. / The analysis of gene expression regulation is necessary to better understand bacterial adaptation to environment and to be able in a context of synthetic biology to optimize the production of molecules of interest. The goal of this thesis was to study translation at the genome-wide level and its relationship to other cellular processes using a systems biology approach. First, translation activity at the -omic scale (called the traductome) was measured : for each messenger RNAs, its percentage of copies in translation and ribosome density. For the first time, a complete picture of the translational state in fast growing E. coli cells was obtained, characterized by a majority of transcripts with a very high percentage of copies in translation but a low ribosome density. Our model identified sequence-related factors as determinants of translation but, more surprisingly, the model predicted the important role of a physiological parameter: the mRNA concentration. Thus, more concentrated mRNA would have higher percentage of copies in translation and higher ribosome density. For the first time, this effect of transcription on translation has been validated at the molecular level on several genes. We showed that an increase in mRNA concentration by transcriptional induction results in increases in percentage of copies in translation and in ribosome load.

Les souvenirs sont encodés dans le cerveau grâce aux configurations uniques de vastes réseaux neuronaux. Chaque connexion dans ces circuits est apte à être modifiée. Ces changements durables s’opèrent au niveau des synapses grâce à une synthèse de protéines de novo et génèrent ce qu’on nomme des traces mnésiques. Plusieurs preuves indiquent que, dans certaines formes de plasticité synaptique à long terme, cette synthèse a lieu dans les dendrites près des synapses activées plutôt que dans le corps cellulaire. Cependant, les mécanismes qui régulent cette traduction de protéines demeurent encore nébuleux. La phase d’initiation de la traduction est une étape limitante et hautement régulée qui, selon plusieurs chercheurs, constitue la cible principale des mécanismes de régulation de la traduction dans la plasticité synaptique à long terme. Le présent projet de recherche infirme cette hypothèse dans une certaine forme de plasticité synaptique, la dépression à long terme dépendante des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR-LTD). À l’aide d’enregistrements électrophysiologiques de neurones hippocampiques en culture couplés à des inhibiteurs pharmacologiques, nous montrons que la régulation de la traduction implique les étapes de l’élongation et de la terminaison et non celle de l’initiation. De plus, nous démontrons grâce à des stratégies de knockdown d’expression d’ARN que la protéine de liaison d’ARNm Staufen 2 joue un rôle déterminant dans la mGluR-LTD induite en cultures. Dans leur ensemble, les résultats de la présente étude viennent appuyer un modèle de régulation de la traduction locale de protéines qui est indépendante de l’initiation. / Memories are encoded in the unique configurations of the vast neuronal networks of the brain. Each of these connections possesses the ability to be modified. Such long-lasting changes at the synapse often require the synthesis of new proteins that create what we call memory traces. Evidence suggests that the signal-induced activation of translation in some forms of synaptic plasticity occurs locally, at the activated synapses, rather than in the soma. However, the mechanisms regulating local and rapid de novo protein synthesis are poorly understood. The initiation step of translation is a highly regulated step and is believed to be the main target of control. The present research project challenges this view for a certain form of long-term synaptic plasticity, metabotropic glutamate receptor-dependent long-term depression (mGluR-LTD). We show, using electrophysiological recordings of dissociated hippocampal neurons in cultures coupled to pharmacological inhibitors, that translation regulation depends on elongation and termination, rather than initiation. Moreover, by exploiting RNA knockdown strategies, we demonstrate that the RNA-binding protein Staufen 2 plays a crucial role in mGluR-LTD induced in cultures. Altogether, the findings of the present study support a model of translation regulation that is downstream of initiation.

L'utilisation des ressources en fer et les variations du potentiel redox sont des processus impliqués dans la prolifération et la différenciation cellulaire. Ils participent à l'hématopoïèse normale et leur dérégulation peut être associée à des conditions pathologiques. Les hémopathies, telles que la leucémie aiguë myéloïde (LAM), témoignent du lien entre disponibilité en fer, signalisation redox et leucémogenèse. La déplétion en fer induit un arrêt de la prolifération suivi de la mort cellulaire, et pour des cellules primaires leucémiques (blastes) de patients LAM, elle peut conduire à un réengagement de la différenciation vers la lignée monocytaire. Cependant, les besoins en fer des clones leucémiques restent mal définis. Dans les cellules animales, le cœur du réseau de régulation du fer est organisé à travers le système régulateur IRE-IRP. Les Iron Regulatory Proteins (IRP), agissent sur la traduction de nombreuses protéines impliquées dans la gestion du fer par interaction avec les Iron Responsive Elements (IRE) localisés sur les régions non codantes des ARN messager (ARNm) régulés. A partir de lignées cellulaires leucémiques (KG1, K562), de blastes de patients LAM et de progéniteurs CD34+ contrôles issus de sang de cordon et de moelle osseuse de donneurs sains, le statut du système de gestion cellulaire du fer a été caractérisé pour les premières étapes de l'hématopoïèse normale et pathologique. A travers la manipulation des apports cellulaires en fer, notamment par l'utilisation de chélateurs à usage thérapeutique, la réponse du système homéostatique a été suivie. Nos données soulignent les faibles besoins en fer des progéniteurs hématopoïétiques, et d'autres cellules, pour proliférer. Dans les lignées cellulaires le régulateur IRP est en excès par rapport à ses cibles IRE, ce qui pourrait être une caractéristique générale du contrôle de la traduction pour des ARNm spécifiques par fixation de régulateurs translationnels. La régulation semble exclusivement le fait d' IRP1, puisqu' IRP2 n'a pas été détecté dans les progéniteurs hématopoïétiques, qu'ils soit pathologiques ou non. De subtiles différences ont été identifiées dans les quantités des composants du réseau gérant le fer dans les cellules leucémiques en comparaison des cellules saines témoins, ainsi que des capacités différentes à croître dans un milieu minimal comportant des concentrations en fer précisément définies. Les informations obtenues à travers ce travail pourraient bénéficier à l'élaboration de protocoles thérapeutiques, incluant notamment la manipulation du fer, dans les LAM ou d'autres pathologies. / Use of iron resources and variations of the redox balance are processes involved in cell proliferation and differentiation. They participate to normal hematopoiesis and their disturbance may be associated with pathological conditions. Hematological neoplasms, such as acute myeloid leukemia (AML), provide clinical evidence of the link between iron availability, redox signaling, and malignancy. Stringent iron depletion induces arrest of proliferation followed by cell death, and deprived primary leukemic cells of AML patients (blasts) have been previously shown to engage into the monocytic lineage. Yet, the iron needs of leukemic clones are unknown. The core network of cellular iron regulation in mammals is organized around the IRE-IRP system. The Iron Regulatory Proteins (IRP) act on the translation of many proteins involved in iron management by interacting with Iron Responsive Elements (IRE) located on the untranslated regions of messenger RNA (mRNA) coding these proteins. Using leukemic cell lines (KG1, K562), blasts of AML patients and CD34+ progenitors isolated from cord blood or the bone marrow of healthy donors, the status of the iron management system was established in the first stages of normal and pathological hematopoiesis. The response of the homeostatic system upon manipulation of iron provision, including with clinically implemented chelators, has been monitored. Our data emphasize the weak iron requirements of hematopoietic progenitors, and other cells, to proliferate. In cell lines the IRP regulator is in excess of its IRE targets, which may be a general feature of translational control for specific mRNA. The regulation seems exclusively mediated by IRP1, as the IRP2 regulator has not been detected in normal or malignant hematopoietic progenitors. Subtle differences have been found in the iron handling system of leukemic cells as compared to normal cells, together with different abilities to grow on a minimal medium containing precisely defined iron concentrations. The design of improved therapeutic regimens including iron manipulation, in AML and other pathologies, may benefit from considering the information obtained in this work.

La régulation de l’expression génique chez les bactéries résulte d’un processus complexe comprenant deux étapes majeures, la transcription des gènes en ARNm et leur traduction en protéines. Les études qui allient les données de transcription et de traduction sont rares et l’importance de chacun de ces deux mécanismes dans un processus global d’adaptation n’est pas encore clairement définie. Or, les faibles corrélations entre les niveaux d’ARNm et de protéines chez les bactéries et, plus particulièrement chez la bactérie modèle Lactococcus lactis, suggèrent l’importance des régulations traductionnelles.Aujourd’hui des exemples de mécanismes de régulation de la traduction à l’échelle moléculaire se multiplient, néanmoins il n’existe que très peu de méthodes systémiques permettant d’étudier ces régulations à l’échelle globale. Dans cette thèse, l’état de traduction de chacun des ARNm de la cellule a été estimé par la mesure du traductome. Ainsi, pour chaque ARNm, le pourcentage de molécules en traduction et sa densité en ribosomes ont été déterminés. Pour la première fois, une image complète de l’état de traduction de la bactérie a été obtenue montrant une grande variabilité traductionnelle au sein de la population des transcrits. De plus, il a été démontré que cet état traductionnel était très régulé. De fait, lors d’une carence nutritionnelle, la machinerie de traduction est globalement diminuée et il est observé une redistribution de l’efficacité de traduction vers des gènes nécessaires à la bactérie pour être adaptée au stress imposé. D’autre part, cette forte variabilité de l’état de traduction au sein des ARNm a pu être reliée à des différences au niveau du mécanisme propre de la traduction. En effet, les coefficients de contrôle des trois grandes étapes de la traduction, estimés par modélisation à partir des données de traductome, dépendent fortement de la nature des gènes. Ainsi un contrôle au niveau de l’étape d’initiation a été démontré comme attendu pour la majorité des gènes. Mais pour un grand nombre de gènes, un contrôle par l’élongation (et pour un nombre plus restreint par la terminaison) a été aussi mis en évidence chez L. lactis. Dans le contrôle global de l’expression génique, il a d’autre part été mis en évidence que les processus de traduction et de dégradation des ARNm étaient impliqués et associés à des régulations coordonnées ou non en fonction des conditions de croissance.En conclusion, ces travaux de thèse ont montré l’importance des régulations de la traduction. Plus largement, ils ont souligné la nécessité de caractériser les différents niveaux de régulations de l’expression génique afin de mieux appréhender la physiologie de la cellule / In bacteria, regulation of gene expression results from a complex program composed of two main steps: transcription of genes into mRNA and their translation into proteins. Few studies integrate both transcription and translation, so their relative importance in the global process of bacterial adaptation is not yet well defined. However, weak correlations between mRNA and protein levels were found in bacteria, in particular in the lactic acid bacteria model Lactococcus lactis, suggesting significant translation regulations in this bacterium.Nowadays, translation regulation mechanisms are mainly investigated at the molecular level since only few systemic methods exist to study these regulations at a genome-wide scale. During this PhD, translation state of all mRNA was estimated by translatome measurement. For each mRNA in the cell, percentage of its molecules in translation and its ribosome density were determined. For the first time in bacteria, a detailed picture of the translation state of all transcripts was obtained. Large variation of translation state was observed within the transcript population demonstrating a high diversity of translational regulations in a given physiological state. In addition, during nutrient starvation, the global translation machinery was decreased and associated with a redistribution of the translation efficiency towards genes required to stress adaptation.Changes in translation state were related to specific kinetics of the three elementary steps of translation. From translatome data, control coefficients of initiation, elongation and termination on the global translation process were modeled. The translation limiting step was strongly dependent on gene function. Although a control by initiation was observed for most of the genes of L. lactis, a large set of genes was elongation limited, and even few genes were limited by termination.In the global control of gene expression, both translation and mRNA decay were involved and led to coupled or uncoupled regulations according to growth conditions.Finally, this work has demonstrated the importance of translation regulations in bacteria. This result strengthens the necessity to include all the different layers of gene expression regulation in order to better understand cell physiology

La localisation des ARNm par transport dirigé joue un rôle dans le développement, la motilité cellulaire, la plasticité synaptique et la division cellulaire asymétrique. Chez la levure Saccharomyces cerevisiæ, la localisation d’ARNm est un phénomène dont les mécanismes de régulation sont conservés auprès de nombreux autres organismes. Lors de la division de la levure, plus d’une trentaine de transcrits sont localisés par transport actif à l’extrémité du bourgeon de la cellule-fille. Parmi ceux-ci, l’ARNm ASH1 est le mieux caractérisé et constitue le modèle utilisé dans cette étude. Pour exercer sa fonction, la protéine Ash1 doit être produite uniquement après la localisation de l’ARNm ASH1. Pour ce faire, les mécanismes de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 empêchent son expression durant le transport. Ce projet de recherche vise à étudier les mécanismes de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 par les répresseurs traductionnels connus, soit Khd1, Puf6 et Loc1. Les études antérieures se sont penchées sur ces facteurs de manière individuelle. Cependant, dans cette étude, nous avons exploré la présence d’une collaboration entre ceux-ci. Ainsi, nous avons voulu déterminer si les répresseurs traductionnels peuvent être intégrés en une seule voie de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1. De plus, nous avons cherché à identifier le mécanisme de recrutement des répresseurs traductionnels sur l’ARNm ASH1, qui correspond au point initial des voies de régulations de l’ARNm ASH1. Nos résultats montrent que les répresseurs traductionnels de l’ARNm ASH1, soit Khd1 et Puf6, font partie d’une même voie de régulation de la traduction. Le rôle du facteur nucléaire Loc1 dans la voie de régulation de la traduction, quant à elle, a été examinée à partir d’expériences permettant l’étude du mécanisme de recrutement des répresseurs traductionnels dans le noyau. Ainsi, nos travaux montrent que Puf6 et Loc1 sont associés de manière ARN-dépendant avec la machinerie de transcription, notamment au facteur d’élongation de la transcription Spt4-Spt5/DSIF. Par ailleurs, notre laboratoire a précédemment montré que la localisation nucléaire de la protéine de liaison à l’ARN She2 est essentielle au recrutement des facteurs Loc1 et Puf6 sur l’ARNm ASH1. Des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) supportent l’hypothèse que le recrutement de Loc1 est essentiel à celui de Puf6, qui s’effectue ultérieurement. Ainsi, à partir des résultats de cette étude et des résultats publiés précédemment dans notre laboratoire, nous avons élaboré un modèle de recrutement coordonné des facteurs She2, Loc1 et Puf6 sur l’ARNm ASH1 naissant. De manière générale, cette étude a permis d’établir la présence d’une seule voie de régulation de la traduction de l’ARNm ASH1 et une meilleure connaissance du recrutement des facteurs de répression traductionnelle sur celui-ci. / Directed transport mRNA localization play a role in the development, the cell motility, the synaptic plasticity and asymmetric cellular division. In the yeast Saccharomyces cerevisiæ, this regulation mechanism is conserved among many other species. During yeast cell division, around thirty mRNA are actively localized at the bud tip in the daughter cell. ASH1 mRNA is the best known among them and constitutes the model used in this study. In this model, Ash1 expression is possible only after proper localization of its mRNA. In order to do so, ASH1 mRNA translation is repressed by translational repressors during its active transport. This project investigates the mechanism of ASH1 mRNA translational regulation that is carried out by the translational repressors Khd1, Puf6 and Loc1. Previous studies characterized the action of these factors individually. However, in this study, we now explored the possibility of a collaboration between them. Thus, we sought to determine if these translational repressors are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway. In addition, we tried to identify the mechanisms of recruitment of these translational repressors on ASH1 mRNA, the molecular mechanisms that initiates this process. In this work, we show that the cytoplasmic translational repressors Khd1 and Puf6 are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway. In this pathway, the role of the nuclear translational factor Loc1 was determined by the analysis of translational factors recruitment on ASH1 in the nucleus. We demonstrate that Puf6 and Loc1 interact in an RNA-dependent manner with the transcription machinery, via the transcription elongation factor Spt4-Spt5/DSIF. Finally, chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays support the model that Loc1 recruitment to nascent ASH1 mRNA is essential for the subsequent recruitment of Puf6 to this transcript. With the results of this study and others previously done in the lab, we elaborated a recruitment model for the She2, Loc1 and Puf6 proteins on the nascent ASH1 mRNA. In conclusion, this study has established that the translational repressors Khd1, Puf6 and Loc1 are part of the same ASH1 mRNA translational regulation pathway and allowed a better understanding of the mechanism of recruitment of translational repressors on their target mRNA.