La biogenèse des ribosomes est un processus hautement complexe impliquant plusieurs centaines de facteurs de synthèse dont la finalité est la production de toutes les protéines de la cellule. Chaque étapes de la ribogenèse est une source potentielle d’erreur et est vérifiée par des mécanismes de contrôle de qualité redondants et rigoureux. <p><p>Dans la première partie de ma thèse, j’ai collaboré à une meilleure compréhension d’une des voies de la surveillance nucléolaire, celle qui dégrade les pré-ribosomes défectueux recrutée à partir de l’extrémité 3’ des ARN ribosomiques (ARNr). Suite à une erreur d’assemblage, les pré-ARNr sont polyadénylés par le complexe nucléaire TRAMP, ce dernier est recruté cotranscriptionnellement. Les ARNr polyadénylés deviennent alors des substrats pour l’exosome et sont dégradés. <p><p>On ignore comment la synthèse des ARNr, leur maturation et la surveillance nucléolaire sont intégrées mais on suspecte l’existence d’une interface physico-fonctionnelle à l’ADNr. Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons testé si des cofacteurs de l’exosome, les protéines Nrd1/Nab3 étaient impliquées dans la surveillance des pré-ARNr. Nous rapportons que, chez la levure S. cerevisiae, le facteur d’élongation Spt5 interagit avec l’ARN polymérase (Pol) I et avec Nrd1. L’interaction entre Spt5 et ces deux protéines requiert la présence d’un domaine particulier situé à l’extrémité C-terminal ressemblant au « Carboxy-terminal domain » (CTD) de la Pol II appelé « Carboxy terminal repeat » (CTR). Spt4/Spt5 et Nrd1/Nab3 interagissent fonctionnellement avec Rrp6, sous-unité catalytique de l’exosome. Ces complexes colocalisent à l’ADNr, comme déterminé par ChIP. Des mutations dans le domaine de liaison à l’ARN (RRM – « RNA recognition motif ») de Nrd1 mais pas dans son domaine de liaison au CTD (CID – « carboxy-terminal interacting domain ») de la Pol II et dans le RRM de Nab3 mènent à l’accumulation de transcrits ribosomiques aberrants polyadénylés. Ceci indique que Nrd1/Nab3 contribue au recrutement de la surveillance nucléolaire à la Pol en cours d’élongation pour « scruter » les transcrits ribosomiques naissants. <p><p>Nous proposons un modèle dans lequel Nrd1/Nab3 sont recrutées à la machinerie d’élongation de la transcription via leur interaction avec Spt5 afin de surveiller la synthèse des transcrits ribosomiques. Si un problème dans la fabrication des transcrits naissants a lieu, des sites de liaison pour Nrd1/Nab3 sur les pré-ARNr normalement recouverts de facteurs de synthèse seraient dénudés. Ceci marquerait les transcrits ribosomiques aberrants et entrainerait leur dégradation par les machineries de dégradation TRAMP et exosome. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’ARN génomique du virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est multifonctionnel et suit au moins deux destins. Soit il est traduit par la machinerie traductionnelle de l’hôte donnant naissance aux polyprotéines Gag et Gag-pol, soit il se dimérise et est encapsidé dans les virions en tant que génome viral. Les travaux du laboratoire visent à identifier les mécanismes moléculaires de la traduction de l’ARN génomique et de sa dimérisation, ainsi que les déterminants gouvernant la balance entre ces deux phénomènes. La traduction de l’ARN génomique viral peut être initiée de trois façons. Selon le mécanisme canonique nécessitant la présence d’une coiffe à l’extrémité 5’ de l’ARN, et grâce à deux sites d’initiation par entrée interne des ribosomes (IRES). Un IRES a été mis en évidence dans la 5’ UTR, dont l’activité est stimulée lors en phase G2/M du cycle cellulaire uniquement. Un second IRES a été découvert dans la région codante de gag. Il est capable de lier directement la petite sous-unité ribosome et le facteur d’initiation eIF3, et permet l’initiation à partir de deux codons AUG situés dans la même phase de lecture, conduisant à la synthèse d’une isoforme additionnelle de Gag. Mon projet de thèse a consisté en l’étude de l’influence de la structure secondaire sur la traduction et la dimérisation. Dans un premier temps, j’ai mis en place au laboratoire une nouvelle technique de sondage de structure, appelée « SHAPE », développée par le laboratoire de K. Weeks. Le SHAPE nous permet désormais de sonder rapidement la structure secondaire de nombreux ARN, et notamment de tester en routine l’effet de mutations sur la structure secondaire. Cette technique a permis d’étudier la structure secondaire de la 5’ UTR dans différentes conditions. Nous avons ainsi identifié une signature de la conformation monomère de la 5 UTR, et découvert un nouvel élément impliqué dans la dimérisation in vitro. Par ailleurs, nous avons montré que des extraits de cellules Hela synchronisées en phase G2/M du cycle cellulaire stimulent l’activité de l’IRES de la 5’ UTR et modifient le profil de réactivité de cette région, traduisant probablement une réorganisation structurale induite par le recrutement de protéines cellulaires. Une autre partie de mon projet de thèse a concerné l’étude de l’IRES de la région codante de gag, Des délétions progressives de l’IRES, à partir des extrémités 5’ et 3’ ont mis en évidence l’existence de deux sites de liaison distincts au ribosome, localisés à proximité de chacun des deux codons d’initiation. La délétion de chaque site a permis de confirmer le rôle de la liaison directe au ribosome dans la traduction de gag. L’ensemble de ces éléments nous permet de proposer un modèle moléculaire conduisant à la formation des complexes d’initiation sur chaque codon AUG. Par ailleurs, nos résultats suggèrent qu’une interaction longue-distance entre la boucle PolyA et la région codante de gag régule de la traduction de l’ARN génomique. Un tel mécanisme pourrait permettre de réguler l’efficacité de traduction du gène gag, voire du ratio entre les deux isoformes au cours du cycle réplicatif. / Primate lentiviruses genomic RNA can serve both as an mRNA that encodes for Gag and Gag-Pol polyproteins and as a propagated genome. We previously reported the presence of an IRES activity embedded within Gag coding region itself that drives the production of several isoforms of the Gag polyprotein and that is conserved in HIV-1, HIV-2 and SIVmac. In addition, in vitro reconstitution experiments revealed that the initial step of initiation complex formation is the recruitment of the 40S ribosomal subunit and eIF3. The structural and functional conservation amongst lentiviruses indicates that those properties are important for the virus cycle. In order to define the RNA structural determinants responsible for the formation of IRES/eIF3/40S ternary complex, we have been following functional and biochemical approaches in parallel. Our results indicate that 2 distinct binding sites for the ribosome are present close to the 2 AUG codons used as initiation site for the translation. Further biochemical analyses have shown that 2 ribosomes can be recruited by the same RNA molecule. In order to determine the functional role of the IRES activity on gag translation, we assayed in vitro the translation efficiency of mutants unable to recruit the ribosome. In parallel, we have been following a drug screening strategy to identify small molecules that would inhibit the ribosome recruitment. This approach could pave the way to the definition of the IRESgag as a new therapeutic target, and to the identification of new drugs.

La biogénèse des ribosomes consiste à assembler les ARN ribosomiques (ARNr) et les protéines ribosomiques de la petite sous unité (RPSs) ou de la grande sous unité (RPLs) afin de former les sous unités 40S et 60S du ribosome. Ce processus est l’un des plus complexes des cellules dont il utilise une grande quantité des ressources. Un taux élevé de biogénèse des ribosomes est une caractéristique de la prolifération cellulaire dans les conditions physiologiques ou pathologiques. L’inhibition de la biogénèse des ribosomes active un checkpoint du cycle cellulaire qui induit un arrêt du cycle cellulaire, et selon le contexte, l’apoptose. L’activation de ce checkpoint est due au facteur suppresseur de tumeur p53 qui s’accumule lorsque la biogénèse des ribosomes est inhibée grâce à l’inhibition de son facteur de dégradation, l’ubiquitine ligase E3 MDM2. Cette inhibition de MDM2 se fait par la fixation d’un complexe formé par les protéines ribosomiques RPL11 et RPL5 et l’ARNr 5S. Des études ont montré le potentiel thérapeutique de l’activation de ce checkpoint dans des cancers caractérisés par une biogenèse ribosomique élevée. Par contre l’activation de p53 semble avoir un rôle pathologique dans les ribosomopathies, un ensemble de pathologies causées par un défaut dans la biogénèse des ribosomes comme l’anémie macrocytaire de Diamond-Blackfan (ABD). p53 est clairement impliqué dans les effets anti-prolifératifs de l’inhibition de la biogénèse des ribosomes, cependant de nombreuses évidences montrent l’existence de mécanismes indépendants de p53 qui affectent l’homéostasie cellulaire. On observe par exemple dans l’ABD, des mutations de RPL11/RPL5 dont la déplétion in-vitro n’induit pas p53. Mon travail de thèse a consisté à élucider les mécanismes mis en place par les cellules pour répondre à l’inhibition de la biogénèse des ribosomes, dans un modèle in-vitro de lignées cellulaires. Dans ces lignées, nous avons inhibé la biogénèse des ribosomes par déplétion des RPs de la grande ou de la petite sous unité, indépendamment de l’induction ou pas de p53, à savoir, RPs6, RPL7a et RPL11. Nous avons mis en évidence des liens entre l’inhibition de la biogénèse des ribosomes et l’homéostasie du réticulum endoplasmique, ou la régulation de l’expression de gènes du métabolisme tels que l’enzyme oncogénique PHGDH. / Ribosome biogenesis is the process that leads to the assembly of ribosomal RNA (rRNA) and ribosomal proteins of the small (RPS) or the large (RPL) subunit into ribosomal 40S and 60S subunits. This is a highly complex process in the cells which uses a large amount of energy and resources. High rate of ribosome biogenesis is a trait of cell proliferation in physiological or pathogenic conditions. Inhibition of ribosome biogenesis activates a cell cycle checkpoint which induces a cell cycle arrest, and apoptosis. Activation of this checkpoint is due to the inhibition of ubiquitin ligase E3 MDM2, which does not anymore address the tumor suppressor factor p53 to proteasome. The p53 tumor suppressor factor then accumulates in cells and blocks the cell cycle progression. The inhibition of MDM2 is caused by the binding of a complex formed by RPL11, RPL5 and rRNA 5S. Few studies reveal that activation of this checkpoint has a therapeutic effect on cancer cells characterized by high rate of ribosome biogenesis. However, p53 activation seems to have pathogenic effects in ribosomopathies, a set of disorders characterized by ribosome biogenesis impairment, like Diamond-Balckfan macrocytic anemia (DBA). It is clear that p53 has anti-proliferative effects when ribosome biogenesis is inhibited, but evidences show that p53independants mechanisms also exist. In DBA for example, mutations in RPL5 and RPL11 that do not lead to p53 activation are observed. The goal of this study was to investigate the cellular mechanisms induced in response to inhibition of ribosome biogenesis. These investigations have been performed in an in-vitro system of cell lines. In those cell lines, ribosome biogenesis has been inhibited by depletion of RPs of the 40S or 60S ribosomal independently of p53 status. We brought out links between inhibition of ribosome biogenesis and endoplasmic reticulum homeostasis, or metabolic genes expression regulation like oncogene PHGDH.

Le complexe Scc2-Scc4 est essentiel pour l’association du complexe cohésine sur l’ADN. Les proteines Cohésine génèrent la cohésion entre les chromatides sœurs, ce qui est essentiel pour la ségrégation des chromosomes. Scc2 (également connu sous le nom NIPBL) est muté chez les patients atteints du syndrome de Cornelia de Lange, une maladie multi-organique caractérisée par des anomalies du développement du visage, de la developpement mental cardiaque et du tractus gastro-intestinal. Comment les mutations localisées au niveau du gène codant pour la proteine Scc2 conduisent à des anomalies du développement chez les patients n’a pas encore été élucidé. Une des hypothèses est que la liaison de Scc2 / cohésine à différentes régions du génome a une incidence sur la transcription. Chez la levure de bière, il a été montre que Scc2 se lie aux genes transcrits par l'ARN Pol III (les ARNt et spliceosomals) , ainsi qu‘aux gènes transcrits par l'ARN Pol II codant pour des petits ARN nucléolaires et nucléaires (snARN et snoARNs ) et des gènes de protéines ribosomiques. Nous rapportons ici que Scc2 est important pour l'expression de ces gènes. Scc2 et le régulateur transcriptionnel Paf1 collaborent pour promouvoir la production de Box H / ACA snoARNs qui guident la pseudouridylation des ARN y compris l'ARN ribosomal. Une mutation de Scc2 a été associée à des défauts dans la production d'ARN ribosomal, la biogenèse des ribosomes, et del’épissage. Alors que le mutant Scc2 n'a pas de défaut général de la synthèse protéique, il montre un déphasage accrue et une réduction de l’utilisation du site interne d'entrée ribosomale (IRES)/ coiffe-indépendante. Ces résultats suggèrent que Scc2 favorise normalement un programme d'expression génétique qui prend en charge la fidélité de la traduction. Nous émettons l'hypothèse que le dysfonctionnement de traduction peut contribuer au syndrome de Cornelia de Lange, qui est causé par des mutations dans Scc2. / The Scc2-Scc4 complex is essential for loading the cohesin complex onto DNA. Cohesin generates cohesion between sister chromatids, which is critical for chromosome segregation. Scc2 (also known as NIPBL) is mutated in patients with Cornelia de Lange syndrome, a multi-organ disease characterized by developmental defects in head, limb, cognition, heart, and the gastrointestinal tract. How mutations in Scc2 lead to developmental defects in patients is yet to be elucidated. One hypothesis is that the binding of Scc2/cohesin to different regions of the genome will affect transcription. In budding yeast, Scc2 has been shown to bind to RNA Pol III transcribed genes (tRNAs, and spliceosomal), as well as RNA Pol II-transcribed genes encoding small nuclear and nucleolar RNAs (snRNAs and snoRNAs) and ribosomal protein genes. Here, we report that Scc2 is important for gene expression. Scc2 and the transcriptional regulator Paf1 collaborate to promote the production of Box H/ACA snoRNAs which guide pseudouridylation of RNAs including ribosomal RNA. Mutation of Scc2 was associated with defects in the production of ribosomal RNA, ribosome biogenesis, and splicing. While the scc2 mutant does not have a general defect in protein synthesis, it shows increased frameshifting and reduced internal ribosomal entry site (IRES) usage/cap-independent translation. These findings suggest Scc2 normally promotes a gene expression program that supports translational fidelity. We hypothesize that translational dysfunction may contribute to the human disorder Cornelia de Lange syndrome, which is caused by mutations in Scc2.

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The rapid development of the gene engineering techniques, especially methods for in vitro directed evolution and combinatorial mutagenesis, has triggered the generation of new binding agents to almost any antigen of interest as an alternative to broadly used antibodies. These so-called non-Ig scaffolds are often derived from proteins with useful biophysical properties. While the therapeutic market is still dominated by monoclonal antibodies, the easy option of desired customization of non-Ig binders by conventional methods of gene engineering predestine them largely for the use in the diagnostic area. The ABD scaffold, derived from a three-helix bundle of albumin-binding domain of streptococcal protein G, represents one of the small non-Ig scaffolds. In our laboratory, we have established a highly complex combinatorial library developed on the ABD scaffold. This ABD scaffold-derived library was used to generate unique binders of human prostate cancer (PCa) biomarkers PSP94, KLK2, KLK11 for the more precise diagnosis of PCa. The second part of the thesis describes the generation of ABD-derived binders selectively recognizing different phenotypes of circulating tumor cells as a binding component of the cell capture zone of microfluidic chip for lung adenocarcinoma diagnosis. Beside this already...

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In view of the global spread of multiresistant bacteria and the occurrence of panresistant bacteria, there is an urgent need for antimicrobials with novel modes of action. A promising class is antimicrobial peptides (AMPs), including them proline-rich AMPs (PrAMPs), which target the 70S ribosome to inhibit protein translation. Here, we present a new designer peptide, Api805, combining the N- and C-terminal sequences of PrAMPs Api137 and drosocin, respectively. Api805 was similarly active against two Escherichia coli B strains but was inactive against E. coli K12 strain BW25113. These different activities could not be explained by the dissociation constants measured for 70S ribosome preparations from E. coli K12 and B strains. Mutations in the SbmA transporter that PrAMPs use to pass the inner membrane or proteolytic degradation of Api805 by lysate proteases could not explain this either. Interestingly, Api805 seems not to bind to the known binding sites of PrAMPs at the 70S ribosome and inhibited in vitro protein translation, independent of release factors, most likely using a “multimodal effect”. Interestingly, Api805 entered the E. coli B strain Rosetta faster and at larger quantities than the E. coli K-12 strain BW25113, which may be related to the different LPS core structure. In conclusion, slight structural changes in PrAMPs significantly altered their binding sites and mechanisms of action, allowing for the design of different antibiotic classes.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24462号 / 理博第4961号 / 新制||理||1708(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 青山 卓史, 教授 高田 彰二, 准教授 遠藤 寿 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

The nuclear pore complex (NPC) is a pivotal subcellular structure governing nucleocytoplasmic transport through a selectively permeable barrier. Comprising approximately 30 distinct proteins, it includes FG-Nups with phenylalanine-glycine (FG) motifs and non-FG Nups forming the pore's scaffold. The selectively permeable barrier formed by FG-Nups enables the passive diffusion of small molecules and facilitates the transport of larger ones recognized by nuclear transport receptors (NTRs). Their roles are critical in regulating mRNA and pre-ribosome nuclear export and the nuclear import of transcription factors, underscoring their significance in cellular processes. However, studying NPCs remains challenging due to their structural complexity, heterogeneity, dynamic interactions, and inaccessibility within live cells. In this dissertation, three core questions were investigated to elucidate the structure and function of the NPC. First, the nuclear export dynamics of pre-ribosomal subunits revealed significantly higher transport efficiency compared to other large cargos. Through inhibition of nuclear transport receptor (NTR), CRM1, by small-molecule inhibitor, leptomycin B, we found a dose-dependent inhibition of CRM1s played a crucial role in pre-ribosome export efficiency. We confirmed these results through a series of controlled environments with both import and export NTRs. Our results suggest that cooperative NTR mechanisms may enhance the nucleocytoplasmic transport of not only pre-ribosomal subunits but other protein complexes as well. Second, we investigated the dynamic properties of the NPC’s selectivity barrier by altering the concentration of O-linked β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) sites on nuclear pore proteins. Using small-molecule inhibitors of O-GlcNAc transferase (OGT) or O-GlcNAcase (OGA) to decrease or increase NPC O-GlcNAcylation, respectively, we found a significant change in the overall 3D spatial density of NPC O-GlcNAc sites. Then, by applying the same OGT- and OGA-inhibited conditions, we found that NPC O-GlcNAcylation significantly impacted the nuclear export of mRNA, suggesting that NPC O-GlcNAcylation regulates mRNA’s passage through the NPC’s selective permeability barrier. Third, we examined the nuclear transport mechanism for intrinsically disordered proteins (IDPs). Our findings revealed that IDPs, unlike large folded proteins, can passively diffuse through NPCs independent of size, and their diffusion behaviors are differentiated by the content ratio of charged (Ch) and hydrophobic (Hy) amino acids. Thus, we proposed a Ch/Hy-ratio mechanism for IDP nucleocytoplasmic transport. In summary, comprehending the dynamic behavior of the NPC selectivity barrier and its involvement in mediating large transiting complexes and IDPs has provided valuable insights into the fundamental nucleocytoplasmic transport mechanism, emphasizing the NPC's crucial role in cellular health and function. / Biology