Le contrôle de l’expression des gènes est un processus crucial pour le développement, la reproduction ou les mécanismes d’acclimatation aux stress environnementaux et met en jeu des voies de régulation post-transcriptionnelles agissant sur les ARN messagers (ARNm). Ces molécules portent des modifications chimiques dont l’une des plus abondantes est la N6-méthyladénosine ou m6A. Cette modification permet notamment d’attirer des protéines spécifiques qualifiées de « lecteurs » qui, chez les mammifères, agissent principalement pour favoriser la dégradation et/ou la traduction des ARNm. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif de caractériser les fonctions d’un de ces lecteurs, nommé ECT2, chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, sa fonction de liaison aux ARNm méthylés ainsi que son rôle dans le développement de la plante ont été démontrés. Au niveau moléculaire, une approche de protéomique a permis d’identifier de nombreux partenaires d’ECT2 dont la majorité est impliquée dans le métabolisme des ARNm parmi lesquels des facteurs inhibiteurs de traduction. Les résultats d’une analyse de translatomique permettent de proposer un modèle où ECT2 jouerait un rôle de répresseur de la traduction d’ARNm en coopération avec ses partenaires LARP1 et DCP5, deux facteurs évolutivement conservés qui agissent dans le contrôle de la traduction des ARNm. Enfin, j’ai également découvert que la protéine ECT2 est dynamiquement modifiée via des phosphorylations en réponse à un stress thermique, ce qui semble notamment affecter sa capacité à reconnaitre les résidus m6A. Ces travaux suggèrent pour la première fois que l’activité d’un lecteur peut être régulée par des phosphorylations en réponse à des variations environnementales. / Control of gene expression is a crucial process for development, reproduction or acclimation to environmental stresses and involves post-transcriptional regulatory pathways acting on messenger RNAs (mRNAs). These molecules carry chemical modifications of which N6-methyladenosine (m6A) is one of the most abundant. This modification allows notably the recruitment of specific proteins qualified as “readers” which, in mammals, mostly act to promote decay and/or translation of mRNAs. My thesis aimed to characterize the functions of one of these readers, named ECT2, in the model plant Arabidopsis thaliana. First, its binding function to methylated mRNAs and its role in plant development was demonstrated. At the molecular level, a proteomic approach identified numerous ECT2’s protein partners, mainly involved in mRNA metabolism including translation inhibition factors. Results obtained from a translatome analysis suggest a model where ECT2 could play a repressive role on the translation of methylated mRNAs cooperatively with its partners LARP1 and DCP5, two evolutionarily conserved factors acting in translational control of mRNAs. Finally, I also discovered that ECT2 is dynamically modified with phosphorylations in response to heat stress affecting especially its ability to recognize m6A residues. These works suggests for the first time that the activity of an m6A reader could be regulated by phosphorylations in response to environmental changes.

La protéine de liaison à l’ARN double-brin Staufen1 (STAU1) est exprimée dans les cellules de mammifères de manière ubiquitaire. STAU1 est impliqué dans la régulation post-transcriptionnelle de l’expression génique grâce à sa capacité de lier les ARN et moduler leur épissage, leur transport et localisation, leur traduction ainsi que leur dégradation. Des études récentes de notre laboratoire indiquent que l’expression de STAU1 est régulée durant le cycle cellulaire, ayant une abondance maximale au début de la mitose. En prométaphase, STAU1 est lié à des ARNm codant pour des facteurs impliqués dans la régulation de la prolifération, la croissance et la différenciation cellulaires. De plus, des analyses protéomiques menées sur des cellules humaines ont permis d’identifier STAU1 comme un composant de l’appareil mitotique. Cependant, l’importance de cette association n’a pas été investiguée. Par ailleurs, il a été montré qu’une défaillance dans l’expression ou les fonctions de STAU1 pourrait contribuer au développement et l’accélération de plusieurs maladies débilitantes, dont le cancer. Dans cette thèse, nous avons montré la localisation de STAU155 sur le fuseau mitotique dans les cellules de cancer colorectal HCT116 et les cellules non transformées hTERT-RPE1. Nous avons également caractérisé le déterminant moléculaire impliqué dans l’interaction entre STAU155 et les microtubules mitotiques, soit la séquence située dans les 88 premiers acides aminés N-terminaux de RBD2, un domaine qui n’est pas requis pour l’activité de liaison à l’ARN de STAU1. Nous avons ainsi montré que la fraction de STAU1 enrichie sur le fuseau colocalise avec des ribosomes dans des sites actifs de traduction. De plus, notre analyse transcriptomique du fuseau mitotique montre que 1054 transcrits (ARNm, pré-ARNr, lncRNA et snoRNA) sont enrichis sur l’appareil mitotique. De façon intéressante, le knockout de STAU1 entraine la délocalisation des pré-ARNr et de 154 ARNm codants pour des protéines impliquées dans l’organisation du cytosquelette d'actine et la croissance 4 cellulaire. Bien que STAU1 n’est pas essentiel pour la survie et la prolifération des cellules cancéreuses HCT116, nos résultats mettent clairement en évidence l’implication de STAU1 dans la régulation des ARN spécifiques en mitose et suggèrent un nouveau rôle de cette protéine dans la progression mitotique et la cytokinèse par la régulation de la maintenance des pré-ARNr, la ribogenèse et/ou la reconstitution de l’enveloppe nucléaire. / Staufen1 (STAU1) is a double-stranded RNA-binding protein that is ubiquitously expressed in mammals and known for its involvement in the post-transcriptional regulation of gene expression such as splicing, transport and localization, translation, and decay. It has been demonstrated that STAU1 protein expression level is modulated through the cell cycle with peak abundance by the onset of the mitotic phase after which it is degraded. Genome-wide analysis revealed that in prometaphase, STAU1 bound with mRNAs code for factors implicated in cell differentiation, cell growth as well as for cell proliferation. Interestingly, previous large-scale proteomic studies identified STAU1 as a component of the human mitotic spindle apparatus. Altering STAU1 expression patterns or functions may lead to several debilitating human diseases including cancer. In this thesis, we further elucidated the localization of STAU1 at the mitotic spindle of the colorectal cancer HCT116 and the non-transformed hTERT-RPE1 cells. Next, we characterized the molecular determinant required for STAU1/spindle association within the first 88 N-terminal amino acids, a domain that is not required for the RNA binding activity. RNA-Seq analysis of purified mitotic spindles reveals that 1054 mRNAs as well as the precursor ribosomal RNA, lncRNAs and snoRNAs are enriched on spindles compared to cell extracts. Spindle-associated STAU1 partly co-localizes with ribosomes and active sites of translation. Interestingly, the knockout of STAU1 delocalizes pre-rRNA and 154 mRNAs coding for proteins involved in actin cytoskeleton organization and cell growth. Our results highlighting a role for STAU1 in mRNA trafficking to the spindle. These data demonstrate that STAU1 controls the localization of sub-populations of RNA during cell division and suggests a novel role of STAU1 protein in mitotic progression and cytokinesis by regulating pre-rRNA maintenance, ribogenesis and/or nucleoli reassembly.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La régulation post-transcriptionnelle joue un rôle de premier plan dans le contrôle fin de l’expression génique en permettant une modulation de la synthèse de protéines dans le temps et l’espace, en fonction des besoins de la cellule. Ainsi, des protéines reconnaissant des éléments d’ARN présents sur des transcrits peuvent influencer toutes les étapes de leur existence, soit leur épissage, leur export nucléaire, leur localisation subcellulaire, leur traduction et leur dégradation. Staufen1 (Stau1) est un membre de la famille des protéines liant l’ARN double-brin qui contribue à la régulation post-transcriptionnelle par son implication dans des mécanismes qui vont promouvoir l’épissage alternatif, le transport, la dé-répression de la traduction et l’induction de la dégradation d’ARN messagers (ARNm) spécifiques. L’identité des cibles potentielles de Stau1 est maintenant connue puisqu’une étude à l’échelle du génome a montré que la protéine s’associe à près de 7% du transcriptome des cellules HEK293T. Ces ARNm se classent dans un large éventail de catégories fonctionnelles, mais il est tout de même intéressant de noter qu’une grande proportion d’entre eux code pour des protéines reliées au métabolisme cellulaire et à la régulation de processus cellulaires. En considérant toutes ces informations, nous avons émis l’hypothèse que les différentes activités de Stau1 puissent être modulées afin de contrôler adéquatement l’expression des transcrits liés par la protéine. Dans la mesure où certains ARNm faisant partie des complexes définis par la présence de Stau1 codent pour des régulateurs clés de la prolifération cellulaire, nous avons voulu examiner si l’expression de la protéine varie au cours du cycle de division cellulaire. Nous avons montré que l’abondance de Stau1 est maximale en début de mitose et qu’elle diminue ensuite lorsque les cellules complètent la division cellulaire. Nous avons ensuite découvert que cette baisse d’expression de Stau1 en sortie de mitose dépend du complexe promoteur d’anaphase/cyclosome (APC/C). En soutien à l’idée que Stau1 soit une cible de cette ubiquitine ligase de type E3, nous avons de plus démontré que Stau1 est ubiquitiné et dégradé par le protéasome. Ce contrôle des niveaux de Stau1 semble important puisque la surexpression de la protéine retarde la sortie de mitose et entraîne une diminution importante de la prolifération cellulaire. Par ailleurs, nous avons supposé que les différentes fonctions de Stau1 puissent également être sujettes à une régulation. Compte tenu que les activités de nombreuses protéines liant l’ARN peuvent être contrôlées par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, nous avons voulu tester la possibilité que Stau1 soit phosphorylé. L’immunopurification de Stau1 et son analyse par spectrométrie de masse nous a permis d’identifier trois phosphosites dans la protéine. L’évaluation du rôle de ces événements de phosphorylation à l’aide de mutants phoshomimétiques ou non-phoshorylables a révélé que la modification de Stau1 pourrait compromettre son association à la protéine UPF1. Comme cette interaction est nécessaire pour déstabiliser les transcrits liés par Stau1, nos résultats suggèrent fortement que la fonction de Stau1 dans la dégradation d’ARNm est régulée négativement par sa phosphorylation. Toutes ces données mettent en lumière l’importance des modifications post-traductionnelles telles que l’ubiquitination et la phosphorylation dans la modulation de l’expression et des fonctions de Stau 1. Somme toute, il est vraisemblable que ces mécanismes de contrôle puissent avoir un impact significatif sur le destin des ARNm liés par Stau1, particulièrement dans un contexte de progression dans le cycle cellulaire. / Post-transcriptional regulation plays a major role in the fine tuning of gene expression by allowing a modulation of protein synthesis in space and time, according to cellular requirements. For instance, proteins recognizing RNA elements on transcripts can influence all the steps of their existence, such as their splicing, nuclear export, subcellular localization, translation and degradation. Staufen1 (Stau1) is a member of the double-stranded RNA-binding protein family that contributes to the post-transcriptional regulation of gene expression by its involvement in mechanisms that promote alternative splicing, transport, de-repression of translation and decay of specific messenger RNAs (mRNAs). The identity of potential Stau1 targets is now known as genome-wide analyses have shown that the protein is associated with about 7% of the HEK293T cell transcriptome. Although these mRNAs are classified in a broad range of functional categories, a large proportion of them code for proteins related to cellular metabolism and regulation of cellular processes. Considering all this information, we hypothesized that the different activities of Stau1 may be modulated in order to control appropriately the expression of Stau1-bound mRNAs. Since some of the mRNAs that are part of Stau1-containing complexes encode key regulators of cell proliferation, we wanted to examine whether Stau1 expression fluctuates during the cell division cycle. We showed that Stau1 abundance peaks at the onset of mitosis and then decreases as cells complete division. We then found that Stau1 down-regulation in mitosis exit is mediated by the anaphase promoting complex/cyclosome (APC/C). To support the idea that Stau1 is a target of this E3-ubiquitin ligase, we further demonstrated that Stau1 is ubiquitinated and degraded by the proteasome. The importance of controlling Stau1 levels during the cell cycle is underscored by the observation that its overexpression delays mitotic exit and impairs cell proliferation. Furthermore, we speculated that Stau1 different functions may also be regulated. In the view that the activities of numerous RNA-binding proteins can be controlled by post-translational modifications such as phosphorylation, we tested the possibility that Stau1 is phosphorylated. Mass spectrometry analysis of immunopurified Stau1 allowed the identification of three phosphosites in this protein. Assessment of the role of these phosphorylation events using phosphomimetic or non-phosphorylatable mutants revealed that Stau1 phosphorylation may compromise its association with Upf1. Because this interaction is necessary to elicit the destabilisation of Stau1-bound RNAs, our results strongly suggest that Stau1 function in mRNA decay is negatively regulated by its phosphorylation. Collectively, these data highlight the importance of post-translational modifications such as ubiquitination and phosphorylation in the modulation of Stau1 expression and functions. Overall, the mechanisms that control Stau1 are likely to have a significant impact on the fate of Stau1-bound mRNAs, especially in the context of cell cycle progression.

La régulation de l’expression des gènes est ce qui permet à nos cellules de s’adapter à leur environnement, de combattre les infections ou, plus généralement, de produire la quantité exacte de protéine nécessaire pour répondre à un besoin spécifique. Parmi les joueurs les plus importants dans cette régulation de l’expression des gènes on retrouve les microARN (miARN). Ces petits ARN de 22 nucléotides sont présents chez la majorité des espèces multicellulaires et sont responsables du contrôle direct de plus de 30% des gènes exprimant des protéines chez les vertébrés. La famille de miARN lethal-7 (let-7) est composée de miARN parmi les plus connus et ayant des fonctions cruciales pour la cellule. La régulation du niveau des miARN let-7 est essentielle au bon développement cellulaire. La biogenèse de ces miARN, du transcrit primaire jusqu’à leur forme mature, est régulée principalement par Lin28, une protéine pluripotente très conservée. Cette protéine est composée d’un domaine cold shock (CSD) et de deux domaines de liaison au zinc. C’est grâce à ces domaines de liaison à l’ARN que Lin28 peut lier et inhiber la maturation des miARN let-7. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’interaction entre Lin28 et le microARN précurseur let-7g afin de mieux comprendre le rôle de cette protéine dans l’inhibition de la biogenèse du miARN. À l’aide de techniques biochimiques et biophysiques, nous avons d’abord défini les principaux déterminants de l’interaction entre Lin28 et la boucle terminale du miARN précurseur let-7g (TL-let-7g). Nous avons conclu que le domaine C-terminal de Lin28, composé d’un motif riche en lysines et arginines ainsi que de deux motifs de liaison au zinc, permet à la protéine de lier spécifiquement et avec haute affinité un renflement riche en guanine conservé chez les précurseurs de la famille let-7. Aussi, parce que la séquence et la spécificité de liaison à l’ARN de ce domaine C-terminal sont semblables à celles de la protéine NCp7 du VIH, nous avons défini ce dernier comme le domaine NCp7-like de Lin28. Par la suite, nous avons caractérisé la multimérisation de trois protéines Lin28 sur la boucle terminale de pre-let-7g. Ceci a permis de réconcilier d’apparentes contradictions retrouvées dans la littérature actuelle concernant les sites de liaison de Lin28 lors de sa liaison aux miARN précurseurs. Nous avons identifié trois sites de liaison à haute affinité sur TL-let-7g qui sont liés dans un ordre précis par trois protéines Lin28. Lors de la formation du complexe multimérique, le CSD permet une déstabilisation de l’ARN, ce qui rend accessible plusieurs sites de liaison. Le domaine NCp7-like permet plutôt un assemblage ordonné de la protéine et facilite la liaison initiale de cette dernière. Ces nouveaux résultats rendent possible la mise au point d’un nouveau modèle de l’interaction entre Lin28 et le miARN précurseur let-7g. En conclusion, les études réalisées dans cette thèse apportent une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation post-transcriptionnelle d’une importante famille de miARN et permettront de guider les futures études dans le domaine de recherche en pleine effervescence qu’est celui de la biogenèse des miARN. / The regulation of gene expression is what allows our cells to adapt to their environment, to fight infections or, more generally, to express the appropriate level of proteins to meet a specific need. The microRNAs (miRNAs) are among the most important players in the regulation of gene expression. These small RNAs of 22 nucleotides are present in most multicellular species and are responsible for the direct control of more than 30% of protein-expressing genes in vertebrates. The miRNA lethal-7 (let-7) family consist of some of the most studied miRNAs and plays crucial roles in the cell. The appropriate regulation of the let-7 miRNAs level is essential for proper cellular development. The biogenesis of these miRNAs, from the primary transcript to their mature form is mainly regulated by Lin28, a highly-conserved pluripotent protein. This protein is composed of a cold shock domain (CSD) and two zinc-binding domains. These RNA-binding domains allow Lin28 to bind and inhibit the maturation of the let-7 miRNA. The objective of this thesis is to characterize the interaction between the Lin28 protein and the let-7g miRNA precursor to better understand the role of this protein in the inhibition of miARN biogenesis. Using biochemical and biophysical techniques, we first identified the main determinants of the interaction between Lin28 and the terminal loop of the precursor miRNA let-7g (TL-let-7g). We concluded that the C-terminal domain of Lin28, composed of a lysine-rich and arginine-rich motif in addition to two zinc-binding motifs, is sufficient to bind with high affinity a conserved guanine-rich bulge located on the TL-let-7g. In addition, because the sequence and RNA-binding specificity of this C-terminal domain are similar to those of the HIV protein NCp7, we defined this region as the NCp7-like domain of Lin28. Subsequently, we characterized the multimerization of three Lin28 proteins on the terminal loop of pre-let-7g. This study helped to reconcile apparent contradictions found in the current literature regarding the Lin28-binding sites on miRNA precursors. We identified three high-affinity binding sites on TL-let-7g that are bound in a stepwise manner by the three Lin28 proteins. As part of the formation of the multimeric complex, both RNA-binding domains of Lin28 play an important role. The CSD destabilizes the RNA and this exposes several binding sites, whereas the NCp7-like domain allows an orderly protein assembly and facilitates the initial binding of the protein. These results lead us to propose a new model for the interaction between Lin28 and pre-let-7g. In conclusion, these studies provide a better understanding of the molecular mechanisms involved in the post-transcriptional regulation of an important family of miRNAs and will help guide future projects in the expanding research area of miRNA biogenesis.

La régulation post-transcriptionnelle joue un rôle de premier plan dans le contrôle fin de l’expression génique en permettant une modulation de la synthèse de protéines dans le temps et l’espace, en fonction des besoins de la cellule. Ainsi, des protéines reconnaissant des éléments d’ARN présents sur des transcrits peuvent influencer toutes les étapes de leur existence, soit leur épissage, leur export nucléaire, leur localisation subcellulaire, leur traduction et leur dégradation. Staufen1 (Stau1) est un membre de la famille des protéines liant l’ARN double-brin qui contribue à la régulation post-transcriptionnelle par son implication dans des mécanismes qui vont promouvoir l’épissage alternatif, le transport, la dé-répression de la traduction et l’induction de la dégradation d’ARN messagers (ARNm) spécifiques. L’identité des cibles potentielles de Stau1 est maintenant connue puisqu’une étude à l’échelle du génome a montré que la protéine s’associe à près de 7% du transcriptome des cellules HEK293T. Ces ARNm se classent dans un large éventail de catégories fonctionnelles, mais il est tout de même intéressant de noter qu’une grande proportion d’entre eux code pour des protéines reliées au métabolisme cellulaire et à la régulation de processus cellulaires. En considérant toutes ces informations, nous avons émis l’hypothèse que les différentes activités de Stau1 puissent être modulées afin de contrôler adéquatement l’expression des transcrits liés par la protéine. Dans la mesure où certains ARNm faisant partie des complexes définis par la présence de Stau1 codent pour des régulateurs clés de la prolifération cellulaire, nous avons voulu examiner si l’expression de la protéine varie au cours du cycle de division cellulaire. Nous avons montré que l’abondance de Stau1 est maximale en début de mitose et qu’elle diminue ensuite lorsque les cellules complètent la division cellulaire. Nous avons ensuite découvert que cette baisse d’expression de Stau1 en sortie de mitose dépend du complexe promoteur d’anaphase/cyclosome (APC/C). En soutien à l’idée que Stau1 soit une cible de cette ubiquitine ligase de type E3, nous avons de plus démontré que Stau1 est ubiquitiné et dégradé par le protéasome. Ce contrôle des niveaux de Stau1 semble important puisque la surexpression de la protéine retarde la sortie de mitose et entraîne une diminution importante de la prolifération cellulaire. Par ailleurs, nous avons supposé que les différentes fonctions de Stau1 puissent également être sujettes à une régulation. Compte tenu que les activités de nombreuses protéines liant l’ARN peuvent être contrôlées par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, nous avons voulu tester la possibilité que Stau1 soit phosphorylé. L’immunopurification de Stau1 et son analyse par spectrométrie de masse nous a permis d’identifier trois phosphosites dans la protéine. L’évaluation du rôle de ces événements de phosphorylation à l’aide de mutants phoshomimétiques ou non-phoshorylables a révélé que la modification de Stau1 pourrait compromettre son association à la protéine UPF1. Comme cette interaction est nécessaire pour déstabiliser les transcrits liés par Stau1, nos résultats suggèrent fortement que la fonction de Stau1 dans la dégradation d’ARNm est régulée négativement par sa phosphorylation. Toutes ces données mettent en lumière l’importance des modifications post-traductionnelles telles que l’ubiquitination et la phosphorylation dans la modulation de l’expression et des fonctions de Stau 1. Somme toute, il est vraisemblable que ces mécanismes de contrôle puissent avoir un impact significatif sur le destin des ARNm liés par Stau1, particulièrement dans un contexte de progression dans le cycle cellulaire. / Post-transcriptional regulation plays a major role in the fine tuning of gene expression by allowing a modulation of protein synthesis in space and time, according to cellular requirements. For instance, proteins recognizing RNA elements on transcripts can influence all the steps of their existence, such as their splicing, nuclear export, subcellular localization, translation and degradation. Staufen1 (Stau1) is a member of the double-stranded RNA-binding protein family that contributes to the post-transcriptional regulation of gene expression by its involvement in mechanisms that promote alternative splicing, transport, de-repression of translation and decay of specific messenger RNAs (mRNAs). The identity of potential Stau1 targets is now known as genome-wide analyses have shown that the protein is associated with about 7% of the HEK293T cell transcriptome. Although these mRNAs are classified in a broad range of functional categories, a large proportion of them code for proteins related to cellular metabolism and regulation of cellular processes. Considering all this information, we hypothesized that the different activities of Stau1 may be modulated in order to control appropriately the expression of Stau1-bound mRNAs. Since some of the mRNAs that are part of Stau1-containing complexes encode key regulators of cell proliferation, we wanted to examine whether Stau1 expression fluctuates during the cell division cycle. We showed that Stau1 abundance peaks at the onset of mitosis and then decreases as cells complete division. We then found that Stau1 down-regulation in mitosis exit is mediated by the anaphase promoting complex/cyclosome (APC/C). To support the idea that Stau1 is a target of this E3-ubiquitin ligase, we further demonstrated that Stau1 is ubiquitinated and degraded by the proteasome. The importance of controlling Stau1 levels during the cell cycle is underscored by the observation that its overexpression delays mitotic exit and impairs cell proliferation. Furthermore, we speculated that Stau1 different functions may also be regulated. In the view that the activities of numerous RNA-binding proteins can be controlled by post-translational modifications such as phosphorylation, we tested the possibility that Stau1 is phosphorylated. Mass spectrometry analysis of immunopurified Stau1 allowed the identification of three phosphosites in this protein. Assessment of the role of these phosphorylation events using phosphomimetic or non-phosphorylatable mutants revealed that Stau1 phosphorylation may compromise its association with Upf1. Because this interaction is necessary to elicit the destabilisation of Stau1-bound RNAs, our results strongly suggest that Stau1 function in mRNA decay is negatively regulated by its phosphorylation. Collectively, these data highlight the importance of post-translational modifications such as ubiquitination and phosphorylation in the modulation of Stau1 expression and functions. Overall, the mechanisms that control Stau1 are likely to have a significant impact on the fate of Stau1-bound mRNAs, especially in the context of cell cycle progression.

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La localisation des ARNm dans différents compartiments subcellulaires est conservée dans un large éventail d'espèces et de divers types cellulaires. Le trafic est médié par l'interaction entre les protéines de liaison à l'ARN (RBP) et l'ARNm. Les RBP reconnaissent les éléments cis-régulateurs de l'ARNm, également appelés éléments de localisation. Ceux-ci sont définis par leur séquence et/ou leurs caractéristiques structurelles résidant dans la molécule d'ARNm. La localisation des ARNm est essentielle pour la résolution subcellulaire et temporelle. De plus, les ARNm se sont avérés enrichis dans de nombreux compartiments cellulaires, notamment les mitochondries, l'appareil mitotique, et le réticulum endoplasmique. En outre, des études ont démontré que les RBP et les ARNm sont associés aux structures de l'appareil mitotique. Cependant, le rôle que joue la localisation de l'ARNm au cours de la mitose reste largement inexploré. Ma thèse de doctorat vise à comprendre comment le trafic d'ARNm est impliqué lors de la mitose. La première partie de cette thèse porte sur l'interaction post-transcriptionnelle qui se produit entre les deux ARNm, cen et ik2. Les gènes qui se chevauchent sont une caractéristique frappante de la plupart des génomes. En fait, il a été constaté que le chevauchement des séquences génomiques module différents aspects de la régulation des gènes tels que l'empreinte génomique, la transcription, l'édition et la traduction de l'ARN. Cependant, la mesure dans laquelle cette organisation influence les événements réglementaires opérant au niveau post-transcriptionnel reste incertaine. En étudiant les gènes cen et ik2 de Drosophila melanogaster, qui sont transcrits de manière convergente avec des régions 3' non traduites qui se chevauchent, nous avons constaté que la liaison physique de ces gènes est un déterminant clé dans la co-localisation de leurs ARNm aux centrosomes cytoplasmiques. Le ciblage du transcrit ik2 dépend de la présence et de l'association physique avec l'ARNm de cen, qui est le principal moteur de la co-localisation centrosomale. En interrogeant les ensembles de données de séquençage de fractionnement, nous constatons que les ARNm codés par des gènes qui se chevauchent en 3' sont plus souvent co-localisés par rapport aux paires de transcrits aléatoires. Ce travail suggère que les interactions post-transcriptionnelles des ARNm avec des séquences complémentaires peuvent dicter leur destin de localisation dans le cytoplasme. La deuxième partie de cette thèse consiste à étudier le rôle que jouent les RBP au cours de la mitose. Auparavant, les RBP se sont avérés être associés au fuseau et aux centrosomes. Cependant, leur rôle fonctionnel au niveau de ces structures reste à étudier. Grâce à un criblage par imagerie avec plus de 300 anticorps, nous avons identifié 30 RBP localisés dans les structures mitotiques des cellules HeLa. Ensuite, pour évaluer les rôles fonctionnels de ces RBP, nous avons utilisé l'interférence ARN (ARNi) pour évaluer si la fidélité du cycle cellulaire était compromise dans les cellules HeLa et les embryons de Drosophila melanogaster. Fait intéressant, nous avons identifié plusieurs candidats RBP pour lesquels le knockdown perturbe la mitose et la localisation de l'ARNm dans les cellules HeLa. De plus, la perte des orthologues a entraîné des défauts de développement chez l'embryon de mouche. Grâce à ce travail, nous avons démontré que les RBP sont impliquées pour assurer une mitose sans erreur. En résumé, les travaux que j'ai menés mettent en lumière l'implication de la régulation post-transcriptionnelle au cours de la mitose. En définissant les fonctions et le mécanisme de localisation des ARNm en mitose, ce travail permettra de définir de nouvelles voies moléculaires impliquées dans la régulation de la mitose. Puisque la division cellulaire non contrôlée peut mener à des maladies tel le cancer, étudier le contrôle du cycle cellulaire sous cet angle « centré sur l'ARN » peut aider à développer de nouvelles approches thérapeutiques pour trouver des solutions aux problèmes de santé. / The localization of mRNAs to different subcellular compartments is conserved in a wide range of species and diverse cell types. Trafficking is mediated by the interaction between RNA binding proteins (RBPs) and mRNA. RBPs recognize mRNA cis regulatory motifs, otherwise known as localization elements. These are defined by their sequence and/or structural features residing within the mRNA molecule. Localization of mRNAs is essential for subcellular and temporal resolution. Furthermore, mRNAs have been found to be enriched in many cellular compartments including the mitochondria, mitotic apparatus, and endoplasmic reticulum. Moreover, studies have demonstrated that RBPs and mRNAs are associated with mitotic apparatus structures. However, the role that mRNA localization plays during mitosis remains largely unexplored. My PhD thesis aims to understand how the trafficking of mRNAs is implicated during mitosis. The first part of this thesis encompasses the post-transcriptional interaction that occurs between the two mRNAs, cen and ik2. Overlapping genes are a striking feature of most genomes. In fact, genomic sequence overlap has been found to modulate different aspects of gene regulation such as genomic imprinting, transcription, RNA editing and translation. However, the extent to which this organization influences regulatory events operating at the post-transcriptional level remains unclear. By studying the cen and ik2 genes of Drosophila melanogaster, which are convergently transcribed with overlapping 3’untranslated regions, we found that the physical linkage of these genes is a key determinant in co-localizing their mRNAs to cytoplasmic centrosomes. Targeting of the ik2 transcript is dependent on the presence and physical association with cen mRNA, which serves as the main driver of centrosomal colocalization. By interrogating global fractionation-sequencing datasets, we find that mRNAs encoded by 3’overlapping genes are more often co-localized as compared to random transcript pairs. This work suggests that post-transcriptional interactions of mRNAs with complementary sequences can dictate their localization fate in the cytoplasm. The second part of this thesis involves investigating the role that RBPs play during mitosis. Previously, RBPs have been found to be associated with the spindle and centrosomes. However, their functional role at these structures was yet to be investigated. Through an imaging screen with >300 antibodies, we identified 30 RBPs localized to mitotic structures in HeLa cells. Then, to assess the functional roles of these RBPs, we used RNA interference (RNAi) to assess whether cell cycle fidelity was compromised in HeLa cells and Drosophila melanogaster embryos. Interestingly, we identified several RBP candidates for which the knockdown disrupted mitosis and mRNA localization in HeLa cells. Furthermore, loss of the orthologs led to developmental defects in the fly embryo. Through this work, we demonstrated that RBPs are involved in ensuring an error-free mitosis. In summary, the work that I have conducted sheds light on the involvement of post-transcriptional regulation during mitosis. By defining the functions and mechanism of mRNA localization in mitosis, this work will help define new molecular pathways involved in mitosis regulation. As uncontrolled cell division can lead to diseases such as cancer, studying cell cycle control from this ‘RNA-centric’ angle may help to develop new therapeutic approaches to find solutions to health problems.

La régulation de l’expression des gènes est fondamentale pour coordonner la synthèse, l’assemblage et la localisation des complexes macromoléculaires dans les cellules. Cette expression est régulée à divers niveaux. Elle commence dans le noyau où les facteurs de transcription se lient à des séquences spécifiques d’ADN et recrutent les ARN polymérases pour la synthèse des ARN. La régulation à ce niveau est dite transcriptionnelle. Les protéines de liaison à l’ARN s’associent avec l’ARN en cours de synthèse et opèrent divers modifications comme l’addition d’une coiffe en 5’, l’épissage, l’édition et la poly-adénylation en 3’. Les transcrits sont alors exportés vers le cytoplasme où ils vont être adressés et stockés dans des régions subcellulaires. Les ARNm s’assemblent avec des facteurs de traduction et les ribosomes pour initier la synthèse protéique de manière contrôlée. Enfin, les ARNm sont dégradés. Les régulations qui touchent chacune de ces étapes sont dites post-transcriptionnelles. Le développement récent d’outils d’analyse à l’échelle génomique ont permis une meilleure compréhension globale des programmes de régulation des gènes au niveau transcriptionnel. Cependant, l’architecture globale des systèmes qui régulent les étapes post-transcriptionnelles d’expression des gènes est encore peu connue. Un tel système de régulation post-transcriptionnelle doit être contrôlé par des centaines de protéines de liaison à l’ARN et de microARN (miARN) encodés dans les génomes eucaryotes. C’est pourquoi il est important de disposer d’outils et de plateformes adaptés à l’étude de cette régulation à l’échelle génomique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux programmes de la régulation post-transcriptionnelle chez Caenorhabditis elegans : l’épissage alternatif et la régulation par les miARN. Nous avons utilisés des vers rapporteurs de l’épissage alternatif exprimant la double fluorescence GFP et RFP afin d’étudier l’architecture de cette régulation et l’identification ou la validation des facteurs en trans et des éléments en cis par génétique classique en utilisant la mutagenèse aléatoire, l’automatisation du crible grâce au COPAS biosorter et le séquençage des génomes entiers. Nous avons également modifiés en profondeur le module ReFlx du cytomètre en flux adapté aux organismes de grande taille (COPAS Biosorter) afin d’éliminer les problèmes de contamination et diviser par sept le temps nécessaire au traitement dans le but de mener une étude de génétique inverse à haut débit par ARN interférence. Nous avons enfin générer des lignées fluorescentes bi-colores pour étudier la régulation dépendante de la région 3’ UTR grâce aux microARN. / The regulation of gene expression is fundamental to coordinate the synthesis, assembly and localization of macromolecular complexes in cells. This expression is regulated at various levels. It begins in the nucleus where transcription factors bind to specific DNA sequences and recruit RNA polymerases to synthesize RNA. Regulation at this level is called transcriptional. RNA binding proteins associate with RNA during synthesis and operate various modifications such as the addition of a 5' cap, splicing, editing and polyadenylation at the 3'. The transcripts are then exported to the cytoplasm where they will be sent to subcellular regions and stored. mRNA are then associated with translation factors and ribosomes to initiate protein synthesis in a controlled manner. Finally, mRNAs are degraded. Regulations that affect each of these steps are called post-transcriptional regulations. The recent tools developments for genomic scale analysis have allowed a better overall understanding of gene regulation programs at the transcriptional level. However, the overall architecture of systems that regulate post-transcriptional steps of gene expression is still misunderstood. Such a system of post-transcriptional regulation must be controlled by hundreds of RNA binding proteins and microRNA (miRNA) encoded in eukaryotic genomes. This is why it is important to have tools and platforms suited to the study of the post-transcriptional regulation on a genomic scale. During this thesis, we have focused our work on two post-transcriptional regulation programs in Caenorhabditis elegans : alternative splicing and miRNAs regulation. We used GFP and RFP double fluorescent alternative splicing reporter lines to study the architecture of this regulation and to identify trans factors and cis-elements by using forward genetics, random mutagenesis, automated screen through COPAS biosorter and whole genome sequencing. We also extensively modified the ReFlx module of the COPAS to fix carry over problems and divide by seven the time required for processing in order to conduct a High throughput reverse genetic study using RNA interference. We finally generate bi-color fluorescent lines to study 3 'UTR regulation mediated by microRNAs.

L‘adaptation des bactéries à leur environnement résulte de régulations de l’expression génique pour optimiser leur physiologie aux conditions de culture. Le contrôle de la concentration des ARNm constitue l’une de ces régulations. Il dépend à la fois des variations de transcription et de dégradation des messagers. Si ces deux mécanismes sont bien étudiés à l’échelle moléculaire chez E. coli, leurs poids respectifs sur la régulation du niveau des transcrits à l’échelle du génome restent inconnus en raison de l’absence de données omiques relatives à la dégradation des ARNm lors de changements environnementaux. D’autre part, les paramètres déterminant la stabilité des messagers sont mal identifiés et n’ont jamais été hiérarchisés.Au cours de cette thèse, la stabilité de chacun des ARNm d’E. coli a été mesurée par la détermination du stabilome. Plus précisément, le temps de demi-vie de près de 70 % de tous les messagers a pu être déterminé de façon fiable pour quatre taux de croissance différents obtenus dans les mêmes conditions de culture à l’aide de chémostats. Pour la première fois, cette étude démontre qu’une croissance bactérienne plus rapide entraîne une augmentation globale de la dégradation des transcrits. L’intégration de ces données avec les données transcriptomiques montre que même si la transcription est le mécanisme principal de régulation du niveau des messagers, la dégradation exerce un effet inverse dans la plupart des cas. De plus, le rôle de la dégradation dans le contrôle de la concentration des ARNm s’accentue de façon significative avec l’augmentation du taux de croissance et affecte particulièrement les gènes impliqués dans le métabolisme carboné central. À partir des données de stabilité générées à différents taux de croissance, des approches de biologie intégrative ont permis d’identifier et de hiérarchiser les déterminants de la dégradation des ARNm. Ainsi, la concentration des messagers qui est le principal paramètre, mais aussi le biais de codon, la longueur de la séquence codante et la présence de certains motifs de séquence déterminent la stabilité d’un ARNm. Toutefois, si la hiérarchie des déterminants identifiés reste identique avec la variation du taux de croissance, la stabilité des ARNm de certaines catégories fonctionnelles en est dépendante. Cependant, d’autres déterminants du temps de demi-vie des messagers, en particulier à fort taux de croissance, restent encore à être identifiés. La protéine CsrA, appartenant au système Csr, est un exemple de régulateur post-transcriptionnel qui contrôle positivement ou négativement l’expression d’ARNm par divers mécanismes qui peuvent modifier leur stabilité. Toutefois, l’étendue de l’action de CsrA sur la stabilité des ARNm à l’échelle omique n’a jamais été étudiée. En comparant les stabilomes et transcriptomes d’une souche sauvage et d’une souche où l’activité de CsrA est diminuée, les effets indirects transcriptionnels de CsrA ont été mesurés et de nouveaux ARNm cibles de CsrA dont la stabilité est régulée par la protéine (en majorité stabilisés) ont été identifiés. De plus, la protéine CsrD, régulateur de la stabilité des ARN non codants CsrB/C, n’est pas impliquée dans la régulation de la stabilité des ARNm, mais agit sur la transcription de nombreux gènes indépendamment de son rôle au sein du système Csr. En conclusion, ces travaux ont permis de mieux appréhender les régulations de la stabilité des ARNm, en identifiant leurs déterminants et en caractérisant leur rôle et portée dans le contrôle de la concentration des messagers. Ils soulignent en particulier l’importance de ces régulations dans le processus d’adaptation bactérien / Bacterial adaptation to environment results from regulations of gene expression to optimize cell physiology to growth conditions. Control of mRNA concentration is one of those regulations. It depends on both variations of transcription and transcript degradation. Although these two mechanisms are well defined at the molecular level in E. coli, their respective impact on mRNA level regulation is still unknown at the genome scale because of a lack of omic data on mRNA stability during changing environment. Moreover, parameters determining messenger stability are not yet clearly identified and have never been ranked.During this PhD, the stability of each of the E. coli mRNAs was measured through stabilome determination. More precisely, the half-life of around 70 % of all messengers was reliably determined at four different growth rates obtained in the same growth conditions in chemostats. For the first time, this study demonstrated that increase of growth rate led to global increase of transcript degradation. Integration of these data with transcriptomic data showed that although transcription was the main mechanism which regulated mRNA level, messenger degradation exerted an opposite effect in most of the cases. The role of messenger degradation in the control of mRNA concentration was significantly accentuated with increasing growth rate and affected particularly genes involved in central carbon metabolism. Using mRNA stability data produced at different growth rates, integrative biology approaches allowed identification and ranking of the determinants of messenger stability. mRNA concentration which was the main parameter, but also codon bias, length of the coding sequence, sequence motifs contributed to transcript stability. However, although the hierarchy of determinants remained identical with variations of growth rate, the stability of mRNAs belonging to specific functional categories differed with the growth rate. Nevertheless, other determinants of messenger half-life, in particular at high growth rates still remain to be discovered. The CsrA protein, which belongs to the Csr system, is one example of a post-transcriptional regulator. CsrA positively or negatively controls expression of several mRNAs by mechanisms able to modify transcript stability. Nevertheless, the extent of CsrA effect on mRNA stability at the omic level has never been studied. By comparing stabilomes and transcriptomes of the wild type strain with a strain with reduced CsrA activity, the indirect transcriptional effects of CsrA were measured and new mRNAs whose stability was targeted by CsrA (mostly stabilized), were identified. Moreover, the CsrD protein, a regulator of CsrB/C small RNA stability, was not involved in mRNA stability regulation, but played a role in transcriptional regulation of many genes independently of its role in the Csr system. To conclude, this work provides a better understanding of the regulation of the mRNA stability. It identifies mRNA stability determinants and characterizes the role and extent of mRNA stability regulation in the control of messenger concentration. The study underlines the importance of this regulation in the process of bacterial adaptation