Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue. Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm. / Cytoplasmic transport and localization of messenger RNAs allows temporal and spatial expression of specific factors involved in cell fate determination, synaptic plasticity, cellular polarity or asymmetric cell division. In S. cerevisiae, over thirty transcripts are actively transported and localized to the bud tip of budding yeast. One of them, the ASH1 mRNA (for Asymmetric Synthesis of HO), is localized at the bud tip in late anaphase cells. This allows Ash1p, a transcriptional repressor of the HO endonuclease, to be sorted exclusively to the daughter cell nucleus, where it prevents mating type switching. Proper ASH1 mRNA localization and Ash1p asymmetric expression involve localization factors, which are part of the She-proteins (She1p/Myo4p, She2p and She3p), and translational repressors (the proteins Puf6, Loc1 and Khd1). The nucleo-cytoplasmic shuttling protein She2p binds the ASH1 mRNA and targets it for localization at the bud tip by recruiting the She3p-Myo4p complex. Translational repressors regulate the translation of ASH1 mRNA and avoid ectopic expression of the Ash1 protein during the transport of its transcript. While the cytoplasmic role of She2p in mRNA localization is known, its nuclear function is still unclear. We now show that She2p contains a non-classical nuclear localization signal sequence (NLS) which is essential for its nuclear import via the importin  Srp1p. Exclusion of She2p from the nucleus by mutagenesis of its NLS disrupt the binding of Loc1p and Puf6p to the ASH1 mRNA, leading to defective mRNA localization and Ash1p sorting. To further investigate the assembly of the mRNA localization machinery in the nucleus, we used chromatin immunoprecipitation (ChIP) to follow the recruitment of localization factors and translational repressors on nascent localized mRNAs. We found that She2p is recruited on the ASH1 gene during transcription, via its interaction with the nascent ASH1 mRNA. Puf6p is also recruited on the ASH1 gene, but in a She2p-dependent manner. Interestingly, we detected an interaction between She2p and Rpb1p, the largest subunit of RNA polymerase II in vivo. This interaction is independent of the RNA-binding properties of She2p, and involves the elongating form of the RNA polymerase II. We also found that She2p interacts with both members of the elongation factors Spt4p /Spt5p; Deletion of SPT4 or Ts spt5 mutants at restrictive temperature disrupted the interaction between She2p and Rpb1p, and then reduced the recruitment of She2p on the ASH1 gene, resulting in ASH1 mRNA delocalization and defective Ash1p sorting. Altogether, our results show that factors involved in cytoplasmic mRNA localization and translational control are recruited co-transcriptionally on nascent mRNAs via interation with the transcription machinery, pointing toward a role of the transcription machinery in the mRNA localization process.

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

Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue. Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm. / Cytoplasmic transport and localization of messenger RNAs allows temporal and spatial expression of specific factors involved in cell fate determination, synaptic plasticity, cellular polarity or asymmetric cell division. In S. cerevisiae, over thirty transcripts are actively transported and localized to the bud tip of budding yeast. One of them, the ASH1 mRNA (for Asymmetric Synthesis of HO), is localized at the bud tip in late anaphase cells. This allows Ash1p, a transcriptional repressor of the HO endonuclease, to be sorted exclusively to the daughter cell nucleus, where it prevents mating type switching. Proper ASH1 mRNA localization and Ash1p asymmetric expression involve localization factors, which are part of the She-proteins (She1p/Myo4p, She2p and She3p), and translational repressors (the proteins Puf6, Loc1 and Khd1). The nucleo-cytoplasmic shuttling protein She2p binds the ASH1 mRNA and targets it for localization at the bud tip by recruiting the She3p-Myo4p complex. Translational repressors regulate the translation of ASH1 mRNA and avoid ectopic expression of the Ash1 protein during the transport of its transcript. While the cytoplasmic role of She2p in mRNA localization is known, its nuclear function is still unclear. We now show that She2p contains a non-classical nuclear localization signal sequence (NLS) which is essential for its nuclear import via the importin  Srp1p. Exclusion of She2p from the nucleus by mutagenesis of its NLS disrupt the binding of Loc1p and Puf6p to the ASH1 mRNA, leading to defective mRNA localization and Ash1p sorting. To further investigate the assembly of the mRNA localization machinery in the nucleus, we used chromatin immunoprecipitation (ChIP) to follow the recruitment of localization factors and translational repressors on nascent localized mRNAs. We found that She2p is recruited on the ASH1 gene during transcription, via its interaction with the nascent ASH1 mRNA. Puf6p is also recruited on the ASH1 gene, but in a She2p-dependent manner. Interestingly, we detected an interaction between She2p and Rpb1p, the largest subunit of RNA polymerase II in vivo. This interaction is independent of the RNA-binding properties of She2p, and involves the elongating form of the RNA polymerase II. We also found that She2p interacts with both members of the elongation factors Spt4p /Spt5p; Deletion of SPT4 or Ts spt5 mutants at restrictive temperature disrupted the interaction between She2p and Rpb1p, and then reduced the recruitment of She2p on the ASH1 gene, resulting in ASH1 mRNA delocalization and defective Ash1p sorting. Altogether, our results show that factors involved in cytoplasmic mRNA localization and translational control are recruited co-transcriptionally on nascent mRNAs via interation with the transcription machinery, pointing toward a role of the transcription machinery in the mRNA localization process.

Les Granule de Stress (GS) sont des inclusions cytoplasmiques contenant des protéines et des ARNm qui s’assemblent en réponse à l’exposition à un stress. Leur formation fait partie intégrante de la réponse cellulaire au stress et est considérée comme une étape déterminante pour la résistance au stress et la survie cellulaire. Actuellement, les GS sont reliés à divers pathologies allant des infections virales aux maladies neurovégétatives. L’une d’entre elle, la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est particulièrement agressive, caractérisée par une perte des neurones moteurs aboutissant à la paralysie et à la mort du patient en cinq ans en moyenne. Les mécanismes de déclenchement de la pathologie restent encore à déterminer. TDP-43 (TAR DNA binding protein 43) et FUS (Fused in liposarcoma) sont deux protéines reliées à la pathologie qui présentent des similarités de structure et de fonction, suggérant un mécanisme commun de toxicité. TDP-43 et FUS sont toutes les deux recrutées au niveau des GS en condition de stress. Nous avons démontré pour la première fois que la fonction des GS est de protéger les ARNm de la dégradation induite par l’exposition au stress. Cette fonction n’était que suspectée jusqu’alors. De plus nous avons mis en évidence que G3BP1 (Ras GTPase-activating protein-binding protein 1) est l’effectrice de cette fonction via son implication dans la dynamique de formation des GS. TDP-43 étant un régulateur de G3BP1, nous prouvons ainsi que la perte de fonction de TDP-43/G3BP1 aboutit à un défaut de réponse au stress aboutissant à une vulnérabilisation cellulaire. Le mécanisme de toxicité emprunter par FUS diffère de celui de TDP-43 et ne semble pas passer par une perte de fonction dans le cadre de la réponse au stress. / Stress Granule (SGs) are cytoplasmic inclusions sequestering proteins and mRNAs following a stress exposure. Their assembly is part of the cell stress response and is considered an important step for stress resistance and cell survival. SG are currently linked to different pathogenesis from viral infection to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS).ALS is an aggressive disease, characterized by neuronal death leading to paralysis and death within five years. Pathogenesis mechanisms are still not fully understood. TDP-43 (TAR DNA binding protein 43) and FUS (Fused in liposarcoma) are two proteins linked to the disease that share many structural features and functions suggesting a common toxicity mechanism. TDP-43 and FUS are both recruited to SGs in stress conditions. We demonstrate for the first time that SGs function to protect mRNA from degradation induced after stress exposure, a function that was only suspected until now. We also prove that G3BP1 (Ras GTPase-activating protein-binding protein 1) is the effector of this function via it’s implication in the dynamics of SG formation. As TDP-43 is a regulator of G3BP1, we prove that loss of TDP-43/G3BP1 function leads to a stress response defect yielding increased cellular vulnerability. Furthermore, we have discovered that the mechanism of toxicity for FUS is different from TDP-43, and does not implicate a loss of function mechanism during the cell stress response.

Des évidences expérimentales récentes indiquent que les ARN changent de structures au fil du temps, parfois très rapidement, et que ces changements sont nécessaires à leurs activités biochimiques. La structure de ces ARN est donc dynamique. Ces mêmes évidences notent également que les structures clés impliquées sont prédites par le logiciel de prédiction de structure secondaire MC-Fold. En comparant les prédictions de structures du logiciel MC-Fold, nous avons constaté un lien clair entre les structures presque optimales (en termes de stabilité prédites par ce logiciel) et les variations d’activités biochimiques conséquentes à des changements ponctuels dans la séquence. Nous avons comparé les séquences d’ARN du point de vue de leurs structures dynamiques afin d’investiguer la similarité de leurs fonctions biologiques. Ceci a nécessité une accélération notable du logiciel MC-Fold. L’approche algorithmique est décrite au chapitre 1. Au chapitre 2 nous classons les impacts de légères variations de séquences des microARN sur la fonction naturelle de ceux-ci. Au chapitre 3 nous identifions des fenêtres dans de longs ARN dont les structures dynamiques occupent possiblement des rôles dans les désordres du spectre autistique et dans la polarisation des œufs de certains batraciens (Xenopus spp.). / Recent experimental evidence indicates that RNA structure changes, sometimes very rapidly and that these changes are both required for biochemical activity and captured by the secondary structure prediction software MC-Fold. RNA structure is thus dynamic. We compared RNA sequences from the point of view of their structural dynamics so as to investigate how similar their biochemical activities were by computing a signature from the output of the structure prediction software MC-Fold. This required us to accelerate considerably the software MC-Fold. The algorithmic approach to this acceleration is described in chapter 1. In chapter 2, point mutations that disrupt the biochemical activity of microRNA are explained in terms of changes in RNA dynamics. Finally, in chapter 3 we identify dynamic structure windows in long RNA with potentially significant roles in autism spectrum disorders and separately in Xenopus ssp. (species of frogs) egg polarisation.

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

La première partie de la thèse traite de la recherche de biomarqueurs du cancer. Lors de la transcription, il apparaît que certains nucléotides peuvent être remplacés par un autre nucléotide. On s'intéresse alors à la comparaison des probabilités de survenue de ces infidélités de transcription dans des ARNm cancéreux et dans des ARNm sains. Pour cela, une procédure de tests multiples menée sur les positions des séquences de référence de 17 gènes est réalisée via les EST (Expressed Sequence Tag). On constate alors que ces erreurs de transcription sont majoritairement plus fréquentes dans les tissus cancéreux que dans les tissus sains. Ce phénomène conduirait ainsi à la production de protéines dites aberrantes, dont la mesure permettrait par la suite de détecter les patients atteints de formes précoces de cancer. La deuxième partie de la thèse s'attache à l'étude de l'allergie à l'arachide. Afin de diagnostiquer l'allergie à l'arachide et de mesurer la sévérité des symptômes, un TPO (Test de Provocation Orale) est réalisé en clinique. Le protocole consiste à faire ingérer des doses croissantes d'arachide au patient jusqu'à l'apparition de symptômes objectifs. Le TPO pouvant se révéler dangereux pour le patient, des analyses discriminantes de l'allergie à l'arachide, du score du TPO, du score du premier accident et de la dose réactogène sont menées à partir d'un échantillon de 243 patients, recrutés dans deux centres différents, et sur lesquels sont mesurés 6 dosages immunologiques et 30 tests cutanés. Les facteurs issus d'une Analyse Factorielle Multiple sont également utilisés comme prédicteurs. De plus, un algorithme regroupant simultanément en classes des intervalles comprenant les doses réactogènes et sélectionnant des variables explicatives est proposé, afin de mettre ensuite en compétition des règles de classement. La principale conclusion de cette étude est que les mesures de certains anticorps peuvent apporter de l'information sur l'allergie à l'arachide et sa sévérité, en particulier ceux dirigés contre rAra-h1, rAra-h2 et rAra-h3.

Les recherches présentées dans ce mémoire ont porté sur l'expression des gènes d'histones de type réplication-dépendants. Ces gènes sont particuliers car leurs ARNm sont dépourvus d'introns et de queue poly A en 3', l'extrémité 3' étant générée par coupure endonucléolytique au cours d'un processus de maturation original impliquant plusieurs protéines et la snRNP U7.<br /> Lors d'une première étude, nous avons étudié l'étape initiale de la réaction de maturation qui consiste en la fixation de la protéine HBP sur une structure de l'ARN pré-messager. À partir de mutants de HBP abolissant la fixation sur l'ARN nous avons sélectionné par la technique du triple hybride dans la levure des suppresseurs intragéniques permettant de restaurer cette fixation. La plupart des mutations isolées se situaient dans les domaines N- et C-terminaux de la protéine, en dehors du domaine central impliqué dans l'interaction avec l'ARN. Cette restauration s'effectuait sans perte de spécificité pour la séquence de fixation à l'ARN, suggérant que les domaines N- et C-terminaux sont impliqués dans le processus de reconnaissance de l'ARN.<br /> Dans un second volet de notre étude portant sur la réaction de maturation de l'extrémité 3' de l'ARNm d'histone, nous avons examiné l'impact structural induit par la protéine HBP lors de sa fixation sur les extrémités 3' non traduites des ARNs pré-messagers des histones H4-12, H1t et H2a-614. En utilisant les techniques de sondage en solution nous avons montré que ces extrémités présentent de fortes structures secondaires qui pourraient empêcher l'accès à la particule snRNP U7. Puis, nous avons montré que la fixation de la protéine HBP engendrait des changements de conformation de l'ARN au niveau de la séquence d'hybridation au snRNA U7. Enfin, nous avons pu montrer que ces changements de conformation étaient associés à une amélioration de l'ancrage du snRNA U7 à l'ARN pré-messager. Cependant, ce mécanisme n'est pas généralisable à l'ensemble des gènes d'histones puisque aucune modification importante n'a pu être détectée à l'extrémité 3' non traduite du gène d'histone H2a-614.<br />Enfin, nous avons étudié la traduction in vitro de l'ARNm H4-12 et montré qu'elle s'effectuait de façon très efficace en l'absence des régions 5' et 3' non codantes, suggérant que l'initiation de la traduction s'effectuerait par recrutement des ribosomes à l'intérieur de la phase codante. Par sondage en solution de l'ARNm entier, nous avons proposé un modèle de repliement secondaire dans lequel la séquence codante est circularisée par l'hybridation de ses extrémités. À l'aide d'ARNs anti-sens nous avons identifié un certain nombre de nucléotides essentiels pour le maintien d'une haute efficacité de traduction. L'ensemble des résultats obtenus lors des expériences de sondage en solution associés à ceux issus des études de traduction in vitro, de « toe print » et de microscopie électronique, ont conduit à l'établissement d'un modèle original permettant d'expliquer la traduction atypique de l'ARNm H4-12. La phase codante recruterait directement deux ribosomes à la manière de 2 sites d'entrée interne du ribosome ou « IRES ». Le premier ribosome serait recruté au niveau du codon d'initiation, le second près de la fin de la phase codante. Par le jeu de changements de conformation et grâce à la circularisation de l'ARNm, le deuxième ribosome pourrait être dirigé très efficacement sur le codon d'initiation. Cet enchaînement des deux ribosomes sur la phase codante permettrait d'expliquer d'une part, la grande efficacité de traduction observée dans le cas de notre modèle H4-12 et d'autre part, le rôle accessoire des séquences non traduites.

La formation de nouveaux vaisseaux sanguins ou angiogenèse soutient la croissance tumorale en fournissant l'oxygène et les nutriments qui lui sont nécessaires. Le rôle clé du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire VEGF dans ce processus a suscité le développement de stratégies anti-angiogéniques pour le traitement du cancer. Cependant, des travaux précliniques et des données cliniques suggèrent l'émergence de résistances aux anti-angiogéniques, en raison notamment de la redondance des facteurs de croissance pro-angiogéniques. Il est donc nécessaire de développer des stratégies alternatives plus efficaces. En 2010, notre laboratoire a apporté la preuve de concept d'une thérapie anti-tumorale et anti-angiogénique innovante basée la dégradation des ARNm à demi-vie courte par la protéine à doigts de zinc TIS11b. Néanmoins, l'instabilité de la protéine thérapeutique a entravé la caractérisation plus détaillée de cette stratégie. Dans ce contexte, l'objectif majeur de ma thèse était l'optimisation de la stabilité et de l'activité de TIS11b et l'évaluation de son efficacité thérapeutique. Pour cela, nous avons généré une nouvelle protéine TIS11b génétiquement modifiée sur la base d'études biochimiques et moléculaires. Notamment, nous avons observé que la phosphorylation de la sérine 334 située dans le domaine C-terminal de TIS11b augmente de façon très significative la stabilité de la protéine et potentialise son activité déstabilisatrice de l'ARNm du VEGF. De plus, la délétion du domaine N-terminal augmente également la stabilité de TIS11b sans altérer son activité. Nous avons alors généré deux nouvelles protéines thérapeutiques, la protéine ZnC et la protéine ZnC334D pour laquelle la troncation du domaine N-terminal et la substitution de la sérine S334 par un aspartate mimant une phosphorylation ont été combinées. Les nouvelles protéines ont été fusionnées à une étiquette polyarginine R9 leur permettant de traverser les membranes cellulaires (R9-ZnC et R9-ZnCS334D). Nous avons montré que R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de VEGF in vitro dans la lignée de cancer du sein murin 4T1. De plus, R9-ZnCS334D exerce une activité anti-proliférative, anti-migratoire et anti-invasive dans ces cellules. In vivo, l'injection intra-tumorale de R9-ZnCS334D dans des tumeurs 4T1 préétablies inhibe significativement l'expression du VEGF, la croissance et la vascularisation tumorales. De façon remarquable, l'analyse des extraits tumoraux indique que le traitement diminue l'expression de chimiokines clés dans les processus d'angiogenèse, d'inflammation et d'invasion (Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1, Pentraxin…). Enfin, R9-ZnC et R9-ZnCS334D inhibent l'expression de marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse, un processus impliqué dans la dissémination métastatique. L'ensemble de ces travaux indique que R9-ZnC et R9-ZnCS334D sont des molécules anti-tumorales multi-cibles, qui inhibent plusieurs étapes clés de la progression tumorale. Cette étude confirme que le ciblage de la stabilité des ARNm est une stratégie prometteuse et novatrice pour le développement de nouvelles thérapies anti-cancéreuses. / One of the innovative aspects of anti-cancer therapies is the possibility of preventing tumor growth by blocking blood supply. Cancer cells induce the formation of their own blood vessels from pre-existing vasculature, a process called angiogenesis. One of the most important proangiogenic factors is vascular endothelial growth factor (VEGF). The success of bevacizumab (a humanized anti-VEGF monoclonal antibody) combined to chemotherapy for the treatment of human metastatic cancers has validated VEGF as an efficient target. However, despite the initial enthusiasm, resistance to these anti-angiogenic treatments resulting from compensatory mechanisms occurs upon time. For this reason, there is a real need for new anti-angiogenic drugs that will target the angiogenic process through distinct mechanisms. In 2010, our laboratory has successfully developed an anti-angiogenic and anti-tumoral therapy based on destabilization of short-lived mRNAs by the zinc finger protein TIS11b. However, the therapeutic protein was highly unstable, thus making it difficult to further characterize the experimental therapy. In this context, the main task of my thesis was the optimization of TIS11b stability and activity followed by the evaluation of the multi-target action of our novel protein on tumor development. In a first part of this work, biochemical and molecular approaches allowed us to demonstrate that phosphorylation of the C-terminal serine S334 in TIS11b protein markedly increases its stability. In addition, deletion of the N-terminal domain of TIS11b highly increases its protein stability without affecting its activity. Therefore, we integrated N-terminal truncation (ZnC) and C-terminal substitution of S334 by an aspartate to mimic a permanent phosphorylation at S334 (ZnCS334D) as a novel TIS11b engineering strategy. Both proteins were fused subsequently to a cell-penetrating peptide polyarginine (R9). In vitro studies revealed that R9-ZnC and R9-ZnCS334D inhibit VEGF expression in the murine breast cancer cells 4T1. In addition, R9-ZnCS334D impaired proliferation, migration, invasion and anchorage-independent growth of 4T1 cells. In vivo, intra-tumoral injection of either protein significantly reduced VEGF expression and tumor vascularization. Strikingly, antibody array analyses of tumor extracts demonstrated a reduced expression of several chemokines such as Fractalkine, MCP-1, NOV, SDF-1 and Pentraxin upon R9-ZnC or R9-ZnCS334D treatment. These factors, which are produced by several cell types within tumor tissue, are key drivers of tumor angiogenesis, tumor-promoting inflammation and invasion. Furthermore, the expression of markers of the epithelial-to-mesenchymal transition was also significantly reduced, suggesting an anti-metastatic effect of R9-ZnC and R9-ZnCS334D. Thus, we provide R9-ZnC and R9-ZnCS334D as potential novel multi-target agents which inhibit key hallmarks of cancer progression. This work supports the emerging link between mRNA stability and cancer and proposes novel concepts for the development of innovative anti-cancer therapies.

Le TNF-α est une cytokine pro-inflammatoire du système immunitaire qui, lorsque sa production est déréglée, induit de nombreuses pathologies chez l’homme (cachexie, arthrite rhumatoïde, etc.) Outre une régulation transcriptionnelle de cette cytokine, il existe aussi une régulation post-transcriptionnelle permettant un contrôle affiné de sa production. Le laboratoire de Biologie du Gène étudie cette régulation post-transcriptionnelle faisant intervenir une séquence consensus dans l’ARNm appelée séquence AU-riche (ou ARE pour AU-rich element) et les protéines qui y sont impliquées. Généralement, les ARNm porteurs d’ARE codent pour des protéines dont l’expression est transitoire. Ces gènes requièrent un contrôle très précis de leur expression et c’est pourquoi, en plus d’être soumis à de nombreux contrôles transcriptionnels, la traduction et la stabilité de leurs ARNm sont très finement régulées. La réponse immune innée implique de nombreux ARNm de ce type. Jusqu’à présent, la fonction de la protéine TIAR dans la régulation de l’expression du TNF-α n’a pas été complètement élucidée. Outre le TNF-α, la participation à la réponse immune innée de nombreuses protéines encodées par des ARNm porteurs d’ARE pourrait conférer à la protéine TIAR un rôle de régulateur essentiel dans le contrôle de l’inflammation. Nous avons donc générés plusieurs lignées de macrophages RAW 264.7 surexprimant la protéine TIAR entière ou différents mutants de TIAR afin de déterminer, par une analyse globale par puces à ADN, les ARNm cibles de TIAR au cours de la réponse immune. Cette approche nous a permis de démontrer que la protéine TIAR exerce un contrôle sur le métabolisme de l’ARNm du TNF-α et de MKP-1 (MAP kinase phosphatase 1), une phosphatase majeure dans la voie de signalisation de la MAPK p38. Cette voie de signalisation joue un rôle essentiel dans la stabilisation et la traduction de nombreux ARNm porteurs d’ARE encodant des protéines de la réponse inflammatoire. D’autre part, nous avons voulu étudier in vivo la fonction de la protéine TIAR au cours de la réponse immune. Nous avons, dans ce but, généré des souris transgéniques surexprimant l’isoforme courte de la protéine TIAR. Si nous n’avons pas encore pu mesurer les effets d’une surexpression de TIAR sur la réponse inflammatoire chez ces souris, ces individus transgéniques ont révélé qu’une expression anormale de la protéine TIAR induit une létalité importante au cours du développement embryonnaire. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished