Protein synthesis is a complex process performed by sophisticated cellular particles known as ribosomes. Although RNA constitutes the major structural and functional component, ribosomes from all kingdoms contain an extensive array of proteins with largely undefined functional roles. The work presented in this thesis addresses ribosomal complexity using mutants of Salmonella typhimurium to examine the physiological effects of ribosomal protein (r-protein) removal and orthologous replacement on bacterial fitness and ribosome function. The results of paper I demonstrate that removal of small subunit protein S20 conferred two independent translation initiation defects: (i) a significant reduction in the rate and extent of mRNA binding and (ii) a drastic decrease in the yield of 70S complexes caused by an impairment in subunit association. The topographical location of S20 in mature 30S subunits suggests that these perturbations are the result of improper orientation of helix 44 of the 16S rRNA when S20 is absent. In paper II we show that the major functional impairment associated with loss of large subunit protein L1 manifested as an increase in free ribosomal subunits at the expense of translationally active 70S particles. Furthermore, the formation of free ribosomal subunits was imbalanced suggesting that L1 is required to suppress degradation or promote formation of 30S subunits. Compensatory evolution revealed that mutations in other large subunit proteins mitigate the cost of L1 removal, in one case seemingly via an increase in 70S complex formation. As shown in paper III, the large fitness costs associated with complete removal of r-proteins is in contrast to the generally mild costs of orthologous protein replacement, even in the absence of a high degree of homology to the native protein. This clearly demonstrates the robustness and plasticity of the ribosome and protein synthesis in general and it also implies that functional constraints are highly conserved between these proteins. The findings of paper III also allowed us to examine the barriers that constrain horizontal gene transfer and we find that increased gene dosage of the sub-optimal heterologous protein may be an initial response to stabilize deleterious transfer events. Overall the results highlight the requirement of r-proteins for the maintenance of ribosomal structural integrity.

The amino acid proline is unique – within a polypeptide chain, proline adopts either a cis or trans peptide bond conformation while all other amino acids are sterically bound primarily in the trans configuration. In proteins, the isomeric state of a single proline can have dramatic consequences on structure and function. Consequently, cis-trans interconversion confers both barrier and opportunity – on one hand, isomerization is a rate limiting step in de novo protein folding and on the other can be utilized as a post-translational regulatory switch. Peptidyl-prolyl isomerases (PPIs) are a ubiquitous superfamily that catalyzes the interconversion between conformers. Although pervasive, the functions and substrates of most PPIs are unknown. The two largest subfamilies, FKBPs and cyclophilins, are the intracellular receptors of clinically relevant immunosuppressant drugs that also show promise in the treatment of neurodegenerative disorders and cancer. Therefore, narrowing the knowledge gap has significant potential to benefit human health. FKBP25 is a high-affinity binder of the PPI inhibitor rapamycin and is one of few nuclear-localized isomerases. While it has been shown to bind DNA and associate with chromatin, its function has remained largely uncharacterized. I hypothesized that FKBP25 targets prolines in nuclear proteins to regulate chromatin-templated processes. To explore this, I performed high-throughput transcriptomic and proteomic studies followed by detailed molecular characterizations of FKBP25’s function. Here, I discover that FKBP25 is a multifunctional protein required for the maintenance of genomic stability. In Chapter 2, I characterize the unique N-terminal Basic Tilted Helical Bundle (BTHB) domain of FKBP25 as a novel dsRNA binding module that recruits FKBP25’s prolyl isomerase activity to pre-ribosomal particles in the nucleolus. In Chapter 3, I show for the first time that FKBP25 associates with the mitotic spindle apparatus and acts to stabilize the microtubule cytoskeleton. In this chapter, I also present evidence that this function influences the stress response, cell cycle, and chromosomal stability. Additionally, I characterize the regulation of FKBP25’s localization and nucleic acid binding activity throughout the cell cycle. Finally, in Chapter 4, I uncover a role for FKBP25 in the repair of DNA double-stranded breaks. Importantly, this function requires FKBP25’s catalytic activity, identifying for the first time a functional requirement for cis-trans prolyl isomerization by FKBP25. Collectively, this work identifies FBKP25 as a multifunctional protein that is required for the maintenance of genomic stability. The knowledge gained contributes to the exploration of PPIs as important drug targets. / Graduate

Le contrôle de l'expression des programmes géniques orchestrant le développement précoce et l'homéostasie des cellules souches fait l'objet de recherches intenses. En effet, les cellules souches embryonnaires (CSE) sont caractérisées par des propriétés comme leur clonogénicité (la capacité à proliférer dans le même état indifférencié) et leur pluripotence (la capacité à se différencier et à former les tissus embryonnaires et adultes). Au niveau moléculaire, l'identité des CSE est orchestrée par le contrôle de l'expression génique aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post- transcriptionnel et traductionnel en réponse à l'activation de voies de signalisation spécifiques. Dans ce contexte, des données récentes suggèrent un rôle de la machinerie traductionnelle les ribosomes et de la régulation de leur biogenèse, dans le maintien de l'homéostasie de cellules souches de différentes espèces. À partir de l'analyse de données transcriptomiques à haut débit (RNAseq), mon équipe d'accueil a ainsi identifié un ensemble de protéines associées aux ribosomes (PaR) significativement enrichies dans les cellules souches embryonnaires murines (CSEm) en comparaison à des lignées cellulaires murines différenciées et à des tissus. Parmi ces candidats, mes travaux de thèse ont consisté à la caractérisation d'une PaR particulièrement enrichie : Rsl24d1. Rsl24d1 est une protéine de biogenèse des ribosomes décrites exclusivement chez la levure. Son profil d'expression dans différentes lignées de CSEm suggère une fonction spécifique: enrichissement au niveau transcriptionnel et protéique dans les CSE à l'état de pluripotence naïf et diminution importante au cours de la différenciation. En effet, des approches de perte d'expression de Rsl24d1 m'ont permis d'établir l'importance de cette PaR dans l'homéostasie des CSEm. Rsl24d1 contribue au maintien de la prolifération cellulaire des CSE, de leur clonogénicité et plus modérément à leur pluripotence. Rsl24d1 semble être une protéine majoritairement nucléaire mais également associée aux sous- unités 60S libres des ribosomes cytoplasmiques. D'autre part, la perte d'expression de Rsl24d1 affecte spécifiquement la biogenèse des particules ribosomiques 60S. Ainsi, comme chez la levure, dans les CSEm, Rsl24d1 est un facteur navette orchestrant la maturation des particules ribosomiques pré-60S. Par ailleurs, Rsl24d1 semble permettre le maintien d'un taux de synthèse protéique élevé permettant notamment le renouvellement des protéines ayant une demi-vie courte parmi lesquels on recense des facteurs de transcription de la pluripotence comme Oct4 (Oct3/4), Nanog et Esrrb. Mes travaux de thèse ont donc permis d'identifier et de caractériser un facteur de biogenèse de la sous-unité 60S, Rsl24d1, impliqué dans l'homéostasie des CSEm / Embryonic stem cells (ESC) possess clonogenic and pluripotency abilities i.e. they are able to self-renew indefinitely in the same developpemental state and to differentiate in all the cell types composing embryonic and adult tissues. ESC homeostasis is coordinated by complex networks which are regulated at different levels of gene expression regulation, including epigenetic, transcriptional and post-transcriptional levels. Furthermore, emerging evidences point out that the translational machinery, ribosomes, are directly implicated in the control of adult and embryonic stem cell homeostasis in different model organisms. Along this line, we have identified Rsl24d1, a ribosomal associated protein (RaP), which is strongly expressed in naïve murine ESCs compared to their differentiated progenies. We demonstrated that Rsl24d1 actively contributes to ESC homeostasis and its expression is essential for ESC proliferation and clonogenic capacities. Finally, we have also demonstrated that Rsl24d1, like Rlp24 its yeast ortholog, is associated to pre-ribosomes in ESCs from the nucleus to the cytoplasm and is required for the biogenesis of the large ribosomal subunit

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.

Les cellules cancéreuses produisent une grande quantité de ribosomes afin de synthétiser les protéines nécessaires à leur prolifération rapide. Les mécanismes qui conduisent à cette augmentation de la production de ribosome ne sont que partiellement compris, mais ils semblent intimement liés à l'acquisition du phénotype tumoral. De plus, une nouvelle théorie propose que les ribosomes ne sont pas des effecteurs neutres de la traduction, mais qu'ils jouent un rôle direct dans la régulation de l'expression génique. Cette théorie se base sur l'observation que la composition des ribosomes est hétérogène en fonction des types cellulaires et des conditions environnementales. Dans ce contexte, j'ai étudié les liens entre les altérations des signaux qui contrôlent la biogenèse des ribosomes, tant au niveau quantitatif que qualitatif, et le développement du phénotype tumoral. Ce manuscrit rapporte trois études effectuées au cours de mon travail de thèse. Ces études ont permis d'identifier : i) un nouveau régulateur de la quantité de ribosomes, la LN-Nétrine-1 et ii) des modifications de la composition et de la fonction des ribosomes induites par des altérations génétiques (perte d'activité de p53) et par l'utilisation d'une molécule chimiothérapeutique, le 5- Fluorouracile. Ces perturbations de la quantité et de la fonction des ribosomes modifient le contrôle de la traduction des cellules et la croissance, la prolifération et la survie cellulaire. Il ressort de ces résultats que les ribosomes sont des éléments qui participent au contrôle de l'expression génique et qui jouent un rôle dans la pathologie cancéreuse et la réponse au traitement chimiothérapeutique / Cancer cells produce large amounts of ribosomes to synthesize the proteins required for their rapid proliferation. The mechanisms leading to this increase in ribosome production are only partly understood, but they are related to the acquisition of the tumor phenotype. In addition, a new theory proposes that ribosomes are not neutral effectors of translation, but have a direct role in the regulation of gene expression. This theory is based on the observation that ribosome composition is heterogeneous in different cell types and according to environmental conditions. In this context, I have analyzed the relationships between changes in signals that control ribosome biogenesis, both quantitatively and qualitatively, and the development of the tumor phenotype. This manuscript reports three studies made during this PhD program. These studies identified: i) a novel regulator of the amount of ribosomes, the LN-Netrin-1 and ii) changes in the ribosome composition and function induced by genetic alterations (loss of activity of p53) and by the use of a chemotherapeutic molecule, the 5-Fluorouracil. These perturbations of the amount and the function of ribosomes modify the translation control and cell growth, cell proliferation and cell survival. From these results it can be conclude that ribosomes are elements involved in the regulation of gene expression and play a role in cancer pathology and response to chemotherapy

2-0xoglutarate/Fe(II)-dependent dioxygenases (ZOG Oxygenases) are a relatively poorly characterised enzyme family that hydroxylate biological macromolecules to regulate a variety of essential cellular processes in mammals, including; chromatin remodeling, extra-cellular matrix formation and oxygen sensing. The work in this th esis focuses on a ZOG Oxygenase termed Myc-Induced Nuclear Antigen (MINAS3). This enzyme has been implicated in ribosome biogenesis and cell proliferation, and observed overexpressed in several tumour types, yet the identity afits substrate(s) and their role in cancer is unknown. The aims of the resea rch that has resulted in this thesis were to; (i) develop a cell model of MINAS3 enzyme activity, (ii) apply this model to study the role of MINAS3 activity in cell transformation and cancer, and (iii) discover novel cellular processes regulated by MINA53 activity. As such, I have created an isogenic cell model consisting of K-Ras-transformed MINAS3 knockout mouse embryonic fibroblasts (MEFs) reconstituted with either wildtype or enzyme-inactive MINAS3. Using this model I have shown that MINAS3 activity maintains normal levels of the large ribosomal subunit (60S), and suppresses anchorage-independent growth, autophagy and gene expression. These observations suggest the existence and involvement of one or more substrates. Indeed, proteomic and biochemical analyses in collaboration with the Schofield laboratory (Chemistry, Oxford) confirmed the identity of a MINA53 substrate, the 60S ribosomal protein Rp127a. Together we have shown that Rpl27a is abundantly hydroxylated, and that MINA53 is a histidinyJ hydroxylase; this represents the first discovery of a ribosomal oxygenase. The model developed here did not support a positive role for MINA53 in the transformation of MEFs. Rather it suggested that MINA53 can suppress transformation in some contexts, This prompted a wider investigation that demonstrated underexpression of MINA53 in several tumour types, and the presence of inactivating mutations in breast. ovarian and colon cancer. This thesis provides data supporting further research to understand the role of Rpl27a hydroxylation in the regulation of 60S biogenesis, autophagy and cancer. 2

Paralogs are present during ribosome biogenesis as well as in mature ribosomes in form of ribosomal proteins, and are commonly believed to play redundant functions within the cell. Two previously identified paralogs are the protein pair Ssf1 and Ssf2 (94% homologous). Ssf2 is believed to replace Ssf1 in case of its absence from cells, and depletion of both proteins leads to severely impaired cell growth. Results reveal that, under normal conditions, the Ssf paralogs associate with similar sets of proteins but with varying stabilities. Moreover, disruption of their pre-rRNP particles using high stringency buffers revealed that at least three proteins, possibly Dbp9, Drs1 and Nog1, are strongly associated with each Ssf protein under these conditions, and most likely represent a distinct subcomplex. In this study, depletion phenotypes obtained upon altering Nop7, Ssf1 and/or Ssf2 protein levels revealed that the Ssf paralogs cannot fully compensate for the depletion of one another because they are both, independently, required along parallel pathways that are dependent on the levels of availability of specific ribosome biogenesis proteins. Finally, this work provides evidence that, in yeast, Nop7 is genetically linked with both Ssf proteins. / Les paralogues sont présents lors de la biogenèse des ribosomes ainsi que dans les ribosomes matures sous forme de protéines ribosomiques, et sont généralement censées jouer des fonctions redondantes dans la cellule. Deux paralogues précédemment identifiées sont la paire de protéines Ssf1 et Ssf2 (94 % d'homologie). Ssf2 remplacerait Ssf1 en cas d’absence du dernier dans la cellule, et l’absence des deux protéines diminue la croissance cellulaire. Nos résultats révèlent que, dans des conditions normales, les paralogues Ssf s’associent à des ensembles de protéines similaires, mais avec différentes stabilités. De plus, la perturbation de leurs particules pré-rRNP à l’aide de tampons de haute stringence a révélé qu'au moins trois protéines, probablement Dbp9, Drs1 et Nog1, sont fortement associées à chaque protéine Ssf dans ces conditions, et très probablement représentent des sous-complexes distincts. Dans cette étude, les phénotypes cellulaires observés lors de la déplétion des protéines Nop7, Ssf1 et/ou Ssf2 ont révélé que les paralogues Ssf ne peuvent pas compenser entièrement pour la diminution de l'autre, car ils sont, indépendamment l’un de l’autre, nécessaires le long de voies de biogénèse ribosomale parallèles qui dépendent des niveaux de protéines impliqués dans la biogénèse des ribosomes disponibles. Enfin, ce travail fournit des preuves que, dans la levure, Nop7 est génétiquement lié aux deux protéines Ssf.

La biogenèse des ribosomes est un processus complexe qui implique la production et l'assemblage de 4 ARN et d'environ 80 protéines. Chez l'Homme, la production des deux sous-unités ribosomiques débute dans le nucléole par la synthèse par l'ARN polymérase I d'un long transcrit contenant les séquences des ARN ribosomiques 5.8S, 18S et 25S, qui s'associe de manière co-transcriptionnelle à des protéines ribosomiques et à des facteurs d'assemblage. Le quatrième ARN ribosomique, l'ARNr 5S est transcrit séparément par l'ARN polymérase III, et s'associe avec les protéines ribosomiques Rpl5 et Rpl11 en dehors du ribosome. Ce sous-complexe, appelé particule 5S, est ensuite intégré au sein de la grande sous-unité. La particule 5S est également impliquée dans le contrôle de la prolifération cellulaire. En effet, en cas de dé-régulation de la biogenèse du ribosome, la particule 5S s'accumule dans le nucléoplasme et interagit directement avec l'ubiquitine-ligase MDM2, provoquant la stabilisation du suppresseur de tumeur p53. L'objectif principal de ma thèse est d'étudier le rôle des facteurs d'assemblage Rpf2 et Rrs1 dans la biogenèse du ribosome. Ces protéines assurent deux fonctions distinctes : elles sont requises pour l'association de la particule 5S avec la sous-unité pré-60S, et stimulent la transcription des ARNr par l'ARN polymérase I. Elles sont donc impliquées dans deux événements fondamentaux qui conditionnent les capacités de prolifération cellulaire. La combinaison d'études structurales par cristallographie aux rayons X, et d'études d'interactions protéine-ARN in vitro et in vivo, m'ont permis de mieux appréhender le rôle du complexe Rpf2/Rrs1 dans l'intégration de la particule 5S et dans la maturation de la grande sous-unité. J'ai également étudié le rôle du complexe Rpf2/Rrs1 dans la régulation de la transcription des ARNr, en caractérisant ses interactions avec la polymérase I. / Ribosome Biogenesis is a complex process that requires the production and the correct assembly of the 4 rRNA with more than 80 proteins. Ribosome biogenesis starts by the transcription of a pre-RNA precursor in the nucleolus. Three of the four ribosomal RNAs, the 5.8S, 18S, and 25S rRNAs, are cotranscribed as a single 35S precursor by polymerase I. This precursor is cotranscriptionally modified, folded, cleaved, and assembled with both ribosomal proteins and non-ribosomal factors to generate the mature ribosomes. The fourth rRNA, the 5S rRNA, is transcribed by RNA polymerase III and is assembled into the 5S particle, containing ribosomal proteins Rpl5 and Rpl11, prior to its incorporation into preribosomes. In mammals, the 5S RNP is also a central regulator of the homeostasis of the tumor suppressor p53 The main objective of my thesis was to understand the precise roles of the two assembly factors Rpf2 and Rrs1 in ribosome biogenesis. These proteins have two distinctive functions : Rpf2 and Rrs1 are required for the 5S particle incorporation into the large subunit, and stimulate the rRNA transciption by polymerase I. Using a combination of structural studies by X-Ray crystallography and biochemical approaches as in vitro and in vivo methods to study proteins-RNA interactions, I was able to uncover the function of the Rpf2/Rrs1 dimer in the maturation of the large subunit through the recruitment of the 5S particle. I also studied the function of Rpf2 and Rrs1 in the rRNA transcription regulation, by characterizing physical connection with polymerase I subunits.

La biogenèse des ribosomes eucaryotes est un processus complexe qui implique la production et l'assemblage de 4 ARNr et 80 protéines. La production des deux sous-unités du ribosome, 40S et 60S, débute dans le nucléole par la synthèse d'un long précurseur commun contenant les séquences des ARNr matures et se termine dans le cytoplasme où ont lieu les dernières étapes d'assemblage des protéines ribosomiques et de clivage des ARNr. La production de ribosomes nécessite la participation de plus de 200 co-facteurs, qui catalysent les clivages et modifications des ARNr, coordonnent leur repliement et leur association aux protéines ribosomiques, et assurent des étapes de contrôle-qualité. Ces protéines sont associées aux particules en cours de maturation et absentes des sous-unités matures. Cette voie de synthèse, globalement conservée chez les eucaryotes, a été principalement étudiée chez la levure. Cependant, des études récentes ont montré des différences importantes de ce processus entre levure et mammifères. Un des verrous importants pour comprendre la fonction des co-facteurs, est l'absence de données sur la structure des précurseurs des sous-unités ribosomiques. J'ai donc entrepris une étude structurale de l'assemblage cytoplasmique de la petite sous-unité ribosomique chez l'homme par cryo-microscopie électronique à transmission. Le but de ma thèse était de déterminer la structure 3D des précurseurs de la petite sous-unité ribosomique purifiés à différentes étape de leur maturation. Ce travail a été conduit en collaboration avec l'équipe du Pr. Ulrike Kutay (ETH Zurich) pour la purification des particules pré-40S à partir de cellules humaines. La première structure 3D de particule pré-40S intermédiaire purifiée en étiquetant le co-facteur LTV1 a été déterminée à 19Å de résolution. Dans un deuxième temps, la structure 3D de la particule pré-40S tardive purifiée à via RIO1(KD) a aussi été déterminée à 15Å de résolution. Ces données nous ont permis de proposer un modèle de localisation des co-facteurs sur les précurseurs de la petite sous-unité ribosomique et de montrer une nouvelle différence dans la formation de la petite sous-unité chez l'Homme comparé à la levure, du fait de la présence de la protéine RACK1 sur les particules pré-40S humaines. La comparaison des structures des précurseurs de la petite sous-unité obtenues a permis de mettre en lumière l'existence de remodelages structuraux de la particule pré-40S au cours de sa maturation. Ce travail met en lumière les premières structures 3D de particules pré-40S humaines et pose les fondements méthodologiques d'explorations futures de la dynamique structurale des particules pré-ribosomiques. / Ribosome biogenesis is a complex process that requires the production and the correct assembly of the 4 rRNAs with 80 ribosomal proteins. In Human, the production of the two subunits, 40S and 60S, is initiated by the transcription of a pre-ribosomal rRNA precursor to the mature 18S, 5.8S, and 28S rRNAs by the RNA polymerase I, which is chemically modified and trimmed by endo- and exoribonuclease, in order to form the mature rRNAs. The nascent pre rRNA associated with ribosomal proteins, small ribonucleoprotein particles (snoRNP) and so called co-factors leading to the assembly of an initial 90S particle. This particle is then split into pre-40S and pre-60S pre-ribosomal particles that fallow independent maturation to form the mature subunit into the cytoplasm. Production of eukaryotic ribosomes implies the transient intervention of more than 200 associated proteins and ribonucleoprotein particles, that are absent from the mature subunits. Synthesis of ribosome, globally conserved in eukaryotes, has been principally studied in yeast. However, recent studies reveal that this process is more complex in human compared in yeast. An important bottleneck in this domain is the lack of structural data concerning the formation of intermediate ribosomal subunits to understand the function of assembly factors. Determination of the structural remodeling of pre-ribosomal particles is crucial to understand the molecular mechanism of this complex process. So I have undertaken a structural study on the assembly of the small ribosomal subunit using cryo-electron microscopy and image analysis. The goal of my thesis is to determine the 3D structures of human pre-40S particles at different maturation stages to see the structural remodeling that occurs during the biogenesis of the small ribosomal subunit. We are collaborating with the group of Pr Ulrike Kutay at ETH Zurich, who purify human pre-40S particles. The 3D structures of human pre-40S particles purified at an intermediate and late maturation stages, has been determined with a resolution of 19 and 15Å respectively. Supplementary densities, compared to the mature subunit, indicate the presence of assembly factors and show the unexpected presence of the RACK1 protein in the precursor of the human small ribosomal subunit in the cytoplasm. The comparison of the 3D structures of human pre-40S particle allows showing the structural remodeling that occur during the maturation of the small ribosomal subunit. This work provides the first 3D structure of human pre-40S particles and laid the methodological foundations for future exploration of the structural dynamics of pre-ribosomal particles.