Pour certaines espèces, les nouvelles technologies de séquençage à haut débit et les pipelines automatiques d'annotation permettent actuellement de passer du tube Eppendorf au fichier genbank en un clic de souris, ou presque. D'autres organismes, en revanche, résistent farouchement au bio-informaticien le plus acharné en leur opposant une complexité génomique confondante. Les diplonémides en font partie. Ma thèse est centrée sur la découverte de nouvelles stratégies d'encryptage de l'information génétique chez ces eucaryotes, et l'identification des processus moléculaires de décodage. Les diplonémides sont des protistes marins qui prospèrent à travers tous les océans de la planète. Ils se distinguent par une diversité d'espèces riche et inattendue. Mais la caractéristique la plus fascinante de ce groupe est leur génome mitochondrial en morceaux dont les gènes sont encryptés. Ils sont décodés au niveau ARN par trois processus: (i) l'épissage en trans, (ii) l'édition par polyuridylation à la jonction des fragments de gènes, et (iii) l'édition par substitution de A-vers-I et C-vers-T; une diversité de processus posttranscriptionnels exceptionnelle dans les mitochondries. Par des méthodes bio-informatiques, j'ai reconstitué complètement le transcriptome mitochondrial à partir de données de séquences ARN à haut débit. Nous avons ainsi découvert six nouveaux gènes dont l'un présente des isoformes par épissage alternatif en trans, 216 positions éditées par polyuridylation sur 14 gènes (jusqu'à 29 uridines par position) et 114 positions éditées par déamination de A-vers-I et C-vers-T sur sept gènes (nad4, nad7, rns, y1, y2, y3, y5). Afin d'identifier les composants de la machinerie réalisant la maturation des ARNs mitochondriaux, le génome nucléaire a été séquencé, puis je l'ai assemblé et annoté. Cette machinerie est probablement singulière et complexe car aucun signal en cis ni acteur en trans caractéristiques des machineries d'épissage connues n'a été trouvé. J'ai identifié plusieurs candidats prometteurs qui devront être validés expérimentalement: des ARN ligases, un nombre important de protéines de la famille des PPR impliquées dans l'édition des ARNs dans les organites de plantes, ainsi que plusieurs déaminases. Durant ma thèse, nous avons mis en évidence de nouveaux types de maturation posttranscriptionnelle des ARNs dans la mitochondrie des diplonémides et identifié des candidats prometteurs de la machinerie. Ces composants, capables de lier précisément des fragments d'ARN et de les éditer pourraient trouver des applications biotechnologique. Au niveau évolutif, la caractérisation de nouvelles excentricités moléculaires de ce type nous donne une idée des processus de recrutement de gènes, de leur adaptation à de nouvelles fonctions, et de la mise en place de machineries moléculaires complexes. / Thanks to new high throughput sequencing technologies and automatic annotation pipelines, proceeding from an eppendorf tube to a genbank file can be achieved in a single mouse click or so, for some species. Others, however, fiercely resist bioinformaticians with their confounding genomic complexity. Diplonemids are one of them. My thesis is centered on the discovery of new strategies for encrypting genetic information in eukaryotes, and the identification of molecular decoding processes. Diplonemids are a group of poorly studied marine protists. Unexpectedly, metagenomic studies have recently ranked this group as one of the most diverse in the oceans. Yet, their most distinctive feature is their multipartite mitochondrial genome with genes in pieces, and encryption by nucleotide deletions and substitutions. Genes are decrypted at the RNA level through three processes: (i) trans-splicing, (ii) polyuridylation at the junction of gene pieces and (iii) substitutions of A-to-I and C-to-T. Such a diverse arsenal of mitochondrial post-transcriptional processes is highly exceptional. Using a bioinformatics approach, I have reconstructed the mitochondrial transcriptome from RNA-seq libraries. We have identified six new genes including one that presents alternative trans-splicing isoforms. In total, there are 216 uridines added in 14 genes with up to 29 U insertions, and 114 positions edited by deamination (A-to-I or C-to-T) among seven genes (nad4, nad7, rns, y1, y2, y3, y5). In order to identify the machinery that processes mitochondrial RNAs, the nuclear genome has been sequenced. I have then assembled and annotated the genome. This machinery is probably unique and complex because no cis signal or trans actor typical for known splicing machineries have been found. I have identified promising protein candidates that are worth to be tested experimentally, notably RNA ligases, numerous members of the PPR family involved in plants RNA editing and deaminases. During my thesis, we have identified new types of post-transcriptional RNA processing in diplonemid mitochondria and identified new promising candidates for the machinery. A system capable of joining precisely or editing RNAs could find biotechnological applications. From an evolutionary perspective, the discovery of new molecular systems gives insight into the process of gene recruitment, adaptation to new functions and establishment of complex molecular machineries.

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes qui demeurent encore incertains quant aux origines cellulaire et moléculaire. Il est maintenant connu que des changements au niveau des synapses, comme la plasticité synaptique, pourraient déterminer la base cellulaire de la formation de la mémoire. Alors que la potentialisation à long-terme (LTP) représente un renforcement de l’efficacité de transmission synaptique, la dépression à long-terme (LTD) constitue une diminution de l’efficacité des connexions synaptiques. Des études ont mis à jour certains mécanismes qui participent à ce phénomène de plasticité synaptique, notamment, les mécanismes d’induction et d’expression, ainsi que les changements morphologiques des épines dendritiques. La grande majorité des synapses excitatrices glutamatergiques se situe au niveau des épines dendritiques et la présence de la machinerie traductionnelle près de ces protubérances suggère fortement l’existence d’une traduction locale d’ARNm. Ces ARNm seraient d’ailleurs acheminés dans les dendrites par des protéines pouvant lier les ARNm et assurer leur transport jusqu’aux synapses activées. Le rôle des protéines Staufen (Stau1 et Stau2) dans le transport, la localisation et dans la régulation de la traduction de certains ARNm est bien établi. Toutefois, leur rôle précis dans la plasticité synaptique demeure encore inconnu. Ainsi, cette thèse de doctorat évalue l’importance des protéines Staufen pour le transport et la régulation d’ARNm dans la plasticité synaptique. Nous avons identifié des fonctions spécifiques à chaque isoforme; Stau1 et Stau2 étant respectivement impliquées dans la late-LTP et la LTD dépendante des récepteurs mGluR. Cette spécificité s’applique également au rôle que chaque isoforme joue dans la morphogenèse des épines dendritiques, puisque Stau1 semble nécessaire au maintien des épines dendritiques matures, alors que Stau2 serait davantage impliquée dans le développement des épines. D’autre part, nos travaux ont permis de déterminer que la morphogenèse des épines dendritiques dépendante de Stau1 était régulée par une plasticité synaptique endogène dépendante des récepteurs NMDA. Finalement, nous avons précisé les mécanismes de régulation de l’ARNm de la Map1b par Stau2 et démontré l’importance de Stau2 pour la production et l’assemblage des granules contenant les transcrits de la Map1b nécessaires pour la LTD dépendante des mGluR. Les travaux de cette thèse démontrent les rôles spécifiques des protéines Stau1 et Stau2 dans la régulation de la plasticité synaptique par les protéines Stau1 et Stau2. Nos travaux ont permis d’approfondir les connaissances actuelles sur les mécanismes de régulation des ARNm par les protéines Staufen dans la plasticité synaptique. MOTS-CLÉS EN FRANÇAIS: Staufen, hippocampe, plasticité synaptique, granules d’ARN, traduction, épines dendritiques. / Learning and memory are complex processes that are not completly understood at the cellular and molecular levels. It is however accepted that persistent modifications of synaptic connections, like synaptic plasticity, could be responsible for the encoding of new memories. Whereas long-term potentiation (LTP) is classically defined as a persistent and stable enhancement of synaptic connections, long-term depression (LTD) is a reduction in the efficacy of neuronal synapses. Numerous studies have identified some of the mechanisms of this phenomenon, in particular, the induction and expression mechanisms, as well as the changes in dendritic spine morphology. The most abundant type of synapse in the hippocampus is the excitatory glutamatergic synapse made on dendritic spines; the presence of the translational machinery in dendrites near spines strongly supports the concept of local mRNA translation. Moreover, those mRNA are transported in dendrites to activated synapses by RNA binding-proteins (RBP). Staufen proteins (Stau1 and Stau2) function in transport, localization and translational regulation of mRNA are now established. However, their precise roles in synaptic plasticity are still unknown. Thus, this Ph.D. thesis evaluates the importance of Staufen proteins in mRNA transport and regulation in synaptic plasticity. We have identified specific functions for each isoform; while Stau1 is implicated in late-LTP, Stau2 is required for mGluR-LTD. This specificity is also relevant for dendritic spine morphogenesis since Stau1 is involved in mature dendritic spine maintenance while Stau2 participates in dendritic spine morphogenesis at a developmental stage. Moreover, our studies have indicated that Stau1 involvement in spine morphogenesis is dependent on ongoing NMDA receptor-mediated plasticity. Finally, our results suggest that Stau2 is implicated in a particular form of synaptic plasticity through transport and regulation of specific mRNA granules required for mGluR-LTD such as Map1b. Our work uncovers specific roles of Stau1 and Stau2 in regulation of synaptic plasticity. These studies help to better understand mechanisms involving mRNA regulation by Staufen in long-term synaptic plasticity and memory. ENGLISH KEY WORDS: Staufen, hippocampus, synaptic plasticity, RNA granules, translation, dendritic spines

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

Les ARN non-codants exercent des rôles essentiels au sein de nombreux processus biologiques, allant de la régulation de l’expression génique à l’activité enzymatique. Afin de remplir leurs fonctions cellulaires, ces ARN doivent adopter des structures tridimensionnelles spécifiques, et mieux comprendre ces structures et leur dynamique est crucial pour élucider leur mécanisme d’action et créer des ARN possédant de nouvelles fonctions. Afin de mieux comprendre la structure, la dynamique et l’ingénierie des ARN, notre laboratoire étudie le ribozyme VS de Neurospora, un petit ARN (~160 nucléotides) possédant une activité catalytique. Le ribozyme VS a été découvert il y a une trentaine d’années chez certains isolats naturels du champignon microscopique Neurospora. Ce ribozyme a fait l’objet d’études approfondies et est considéré comme étant un système modèle idéal pour étudier la structure et la fonction de l’ARN in vitro, en raison de sa taille relativement petite, de sa structure tridimensionnelle complexe et de son activité enzymatique facilement détectable. Comme plusieurs autres ribozymes de sa famille, le ribozyme VS catalyse des réactions de clivage et de ligation d’une liaison phosphodiester spécifique. Toutefois, il a la capacité unique de reconnaître et de cliver un substrat isolé, replié sous forme de tige-boucle, par l’entremise d’une interaction boucle-boucle extrêmement stable, une caractéristique intéressante d’un point de vue de l’ingénierie de l’ARN. Des structures cristallines récentes ont fourni de l’information importante à propos de l’état fermé du ribozyme, qui comprend un site actif pré-catalytique. Toutefois, des études récentes ont plutôt démontré que le ribozyme VS adopte un état ouvert en solution et il n’existe que très peu d’information structurale sur cet état et sur les mécanismes de transition menant à la forme fermée. Afin de caractériser la structure du ribozyme en solution, une stratégie modulaire de divide-and-conquer a été entreprise et des structures RMN à haute résolution de chacun des sous-domaines structuraux clés ont été déterminées. Cette thèse vise à caractériser la structure du ribozyme VS complet en solution et à explorer sa capacité à cliver une molécule d’intérêt différente de son substrat naturel. Dans un premier temps, une étude d’ingénierie a été entreprise afin de créer des variants du ribozyme VS capables de reconnaître une tige-boucle d’ARN dérivée de l’Élément de Réponse de Transactivation du virus d’immunodéficience humaine (VIH). Ainsi, des variants hautement actifs du ribozyme ont été identifiés par sélection in vitro et une étude complémentaire de dynamique moléculaire a démontré que l’interaction boucle-boucle agit à titre de charnière dynamique et facilite la formation de l’état fermé du ribozyme. L’approche structurale de divide-and-conquer a ensuite été complétée en combinant des études de RMN et de diffusion des rayons-X aux petits angles (SAXS). Ainsi, des structures à haute résolution du domaine catalytique minimal et d’un complexe formé entre un ribozyme VS plus étendu et un substrat non-clivable ont alors été obtenus. En comparant ces structures aux structures cristallines, nous avons découvert un réarrangement structural important associé à la formation du site actif. Dans l’ensemble, ces travaux offrent une meilleure compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS et de son mécanisme d’action qui comprend un échange dynamique de multiples états conformationnels. Plus généralement, les leçons apprises ici permettront de mieux guider les expériences d’ingénierie du ribozyme VS et d’autres ARN fonctionnels. / Non-coding RNAs play essential roles in many biological processes, ranging from the regulation of gene expression to enzymatic activity. To perform their cellular functions, RNAs must adopt specific three-dimensional structures, and understanding how these structures fold is crucial to elucidate their mechanism of action. However, our fundamental understanding of the structure and dynamics of RNA at atomic resolution remains rather limited. To better understand the structure, dynamics and engineering of RNA, our laboratory is investigating the Neurospora VS ribozyme, a small RNA (~160 nucleotides) with catalytic activity. The VS ribozyme was originally found 30 years ago in natural isolates of Neurospora fungi. It has been thoroughly investigated as an ideal model system to study the structure and function of RNA in vitro, due to its small size, its complex three-dimensional structure and easily detectable activity. Like other small nucleolytic ribozymes, the VS ribozyme catalyzes the cleavage and ligation reactions of a specific phosphodiester bond. However, it has the unique ability to recognize and cleave an isolated hairpin substrate through the formation of a highly stable kissing-loop interaction, which is of great interest for RNA engineering purposes. Recent crystal structures have provided useful information on the closed state of the ribozyme, in which the active site is formed. However, the VS ribozyme is also known to adopt an open state in solution and there is still very little structural information regarding this state and how it is converted into the active closed state. In order to characterize the solution structure of the ribozyme and its dynamics, an NMR-based divide-and-conquer approach was previously undertaken in which high-resolution structures of each of the key structural subdomains were determined. The work presented in this thesis aims to characterize the structure of the complete VS ribozyme in solution and to explore its ability to cleave an RNA hairpin of interest, different from its natural substrate. First, an engineering study was undertaken to create VS ribozyme variants capable of recognizing an RNA stem-loop derived from the HIV-1 Trans-Activation Response Element RNA. Using in vitro selection, highly active ribozyme variants were identified, and their sequence analysis suggests that the improved activity observed in some variants depends on increased conformational sampling of the kissing-loop interaction. Complementary molecular dynamics studies indicate that the kissing-loop interaction acts as a dynamic hinge to facilitate the formation of the closed state of the ribozyme. Next, the divide-and-conquer approach for structural investigation of the VS ribozyme was completed by combining NMR and small-angle X-ray scattering (SAXS) data. High-resolution structures were determined for both a minimal catalytic domain and a complex between a more extended trans ribozyme and a non-cleavable substrate. By comparing these solution structures to the previously reported crystal structures, we uncovered an important structural rearrangement associated with the formation of the active site. Overall, this work provides a better understanding of the global architecture of the VS ribozyme and how it fulfills its function by dynamic exchange of many conformational states. More generally, the structural and dynamic knowledge generated from this work will help to guide future engineering studies of the VS ribozyme and other functional RNAs.

La Dystrophie Myotonique de type I (DM1) est une maladie génétique à transmission autosomique dominante. Elle est due à une expansion pathologique de triplets CTG au sein de la région 3'UTR du gène DMPK. Les individus atteints de DM1 souffrent d'une atteinte multi-systémique, qui se caractérise, sur le plan moléculaire, par une altération de l'épissage alternatif de plusieurs transcrits privilégiant l'expression d'isoformes foetales. L'hypothèse physiopathologique majeure de la DM1 repose sur un gain de fonction toxique des ARNm mutés conduisant à des altérations de facteurs régulateurs d'épissage des familles Mbnl et CELF. Dans le cerveau de patients atteints de DM1, un défaut d'épissage alternatif du transcrit de Tau conduit à la surexpression de l'isoforme foetale avec, notamment, une exclusion préférentielle des exons 2 et 3. Ce défaut s'accompagne d'une agrégation de la protéine, signe d'une dégénérescence neuronale. Ainsi, le premier objectif de ce travail a été de mieux connaître les mécanismes moléculaires responsables du phénotype d'épissage pathologique de Tau dans la DM1. Nous nous sommes également intéressés au transcrit de la Troponine T cardiaque (cTNT), transcrit exprimé dans le coeur et dont l'altération d'épissage avec la DM1 conduit à un profil d'épissage de type foetal. Concernant Tau, nos résultats montrent que le profil d'épissage foetal., et en particulier, l'exclusion des exons 2 et 3, est un phénotype qui peut être obtenu par différentes voies moléculaires impliquant différents éléments cis régulateurs. Dans la DM1, ce phénotype résulte d'un mécanisme bien spécifique. Pour l'exon 2, celui-ci semble impliquer un « silencer » intronique situé dans une région relativement loin en aval de l'exon. Cette même région semble également médier l'effet du facteur d'épissage ETR-3, facteur appartenant à la famille CELF et qui favorise l'exclusion des exons 2 et 3. Pour ce qui est de la régulation de l'exon 5 de cTNT, celle-ci met en cause plusieurs éléments cis régulateurs, tous localisés dans les 150 nucléotides introniques encadrant l'exon. Parmi ces éléments, on identifie un « silencer » et un « enhancer » en amont de l'exon et deux « enhancers » en aval. Nos résultats montrent qu'une région intronique en amont est indispensable à l'effet des expansions de CTG. De plus, dans cette région, nous avons identifié de nouveaux sites fonctionnels de fixation du facteur d'épissage Mbnl1 par rapport à ceux décrits dans la littérature. En conclusion, nos travaux mettent en évidence plusieurs éléments cis régulateurs d'épissage alternatif de Tau et cTNT. Pour ces transcrits, les régions introniques en jeu dans l'effet des expansions de triplets CTG le sont également dans l'effet des facteurs Mbnl ou CELF. Ces résultats confortent l'hypothèse physiopathologique des mécanismes de dérégulation de l'épissage alternatif dans la DM1. Ils montrent également la spécificité des mécanismes mis en jeu dans la pathologie, fournissant ainsi des cibles thérapeutiques

Les protéines Argonaute sont associées à de petits ARN et participent à la régulation de l'expression des gènes. Les protéines Piwi, sous-famille des protéines Argonaute, sont principalement exprimées dans les lignées germinales. Elles recrutent les piRNA (Piwi-interacting RNA) et assurent la stabilité du génome en inhibant les transposons. Une caractéristique des piRNA est la présence de groupes 2'-O-methyl à l'extrémité 3'. Les microARN et siRNA (small interfering RNA) de plantes, comme les siRNA de Drosophyle portent aussi cette modification qui est catalysée par l'ARN méthyl-tranférase HEN1. Son homologue murin, mHEN1, méthyle in vitro de petits ARN, mais son rôle dans la voie des piRNA n'avait pas encore été envisagé. Mon objectif était de relier mHEN1 à la voie des piRNA. J'ai démontré que mHEN1 interagit directement avec la partie N-ter de MILI mais pas avec les autres protéines Piwi de souris. La partie N-ter de MILI porte des arginines méthylées. J'ai démontré que l'interaction ne dépendait pas de la présence de cette modification, ce qui suggère que mHEN1 intervient avant la modification de MILI. Par imagerie cellulaire j'ai montré la compartimentation de HEN1 et des protéines Piwi dans des granules cytoplasmiques différents. Parallèlement, afin de caractériser les éléments de la voie piRNA, j'ai développé un nouveau modèle d'étude basé sur des embryons de poisson zèbre (Danio rerio). Ainsi, j'ai évalué le rôle de deux protéines interagissant avec les protéines Piwi, TDRD1 (Tudor-domain containing) et l'hélicase MOV10l décrits chez la souris mais pas chez le poisson zèbre. J'ai montré que l'expression de DrTDRD1, spécifique à la lignée germinale, dépend de sa partie 3'UTR. La réduction de l'expression de DrMOV10l, obtenue grâce à l'utilisation de morpholinos, entraîne la dérépression des éléments rétrotransposables des embryons en développement. Cette technique de Knock Down sera utilisée pour identifier de nouveaux éléments de la biogenèse des piRNA.

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes qui demeurent encore incertains quant aux origines cellulaire et moléculaire. Il est maintenant connu que des changements au niveau des synapses, comme la plasticité synaptique, pourraient déterminer la base cellulaire de la formation de la mémoire. Alors que la potentialisation à long-terme (LTP) représente un renforcement de l’efficacité de transmission synaptique, la dépression à long-terme (LTD) constitue une diminution de l’efficacité des connexions synaptiques. Des études ont mis à jour certains mécanismes qui participent à ce phénomène de plasticité synaptique, notamment, les mécanismes d’induction et d’expression, ainsi que les changements morphologiques des épines dendritiques. La grande majorité des synapses excitatrices glutamatergiques se situe au niveau des épines dendritiques et la présence de la machinerie traductionnelle près de ces protubérances suggère fortement l’existence d’une traduction locale d’ARNm. Ces ARNm seraient d’ailleurs acheminés dans les dendrites par des protéines pouvant lier les ARNm et assurer leur transport jusqu’aux synapses activées. Le rôle des protéines Staufen (Stau1 et Stau2) dans le transport, la localisation et dans la régulation de la traduction de certains ARNm est bien établi. Toutefois, leur rôle précis dans la plasticité synaptique demeure encore inconnu. Ainsi, cette thèse de doctorat évalue l’importance des protéines Staufen pour le transport et la régulation d’ARNm dans la plasticité synaptique. Nous avons identifié des fonctions spécifiques à chaque isoforme; Stau1 et Stau2 étant respectivement impliquées dans la late-LTP et la LTD dépendante des récepteurs mGluR. Cette spécificité s’applique également au rôle que chaque isoforme joue dans la morphogenèse des épines dendritiques, puisque Stau1 semble nécessaire au maintien des épines dendritiques matures, alors que Stau2 serait davantage impliquée dans le développement des épines. D’autre part, nos travaux ont permis de déterminer que la morphogenèse des épines dendritiques dépendante de Stau1 était régulée par une plasticité synaptique endogène dépendante des récepteurs NMDA. Finalement, nous avons précisé les mécanismes de régulation de l’ARNm de la Map1b par Stau2 et démontré l’importance de Stau2 pour la production et l’assemblage des granules contenant les transcrits de la Map1b nécessaires pour la LTD dépendante des mGluR. Les travaux de cette thèse démontrent les rôles spécifiques des protéines Stau1 et Stau2 dans la régulation de la plasticité synaptique par les protéines Stau1 et Stau2. Nos travaux ont permis d’approfondir les connaissances actuelles sur les mécanismes de régulation des ARNm par les protéines Staufen dans la plasticité synaptique. MOTS-CLÉS EN FRANÇAIS: Staufen, hippocampe, plasticité synaptique, granules d’ARN, traduction, épines dendritiques. / Learning and memory are complex processes that are not completly understood at the cellular and molecular levels. It is however accepted that persistent modifications of synaptic connections, like synaptic plasticity, could be responsible for the encoding of new memories. Whereas long-term potentiation (LTP) is classically defined as a persistent and stable enhancement of synaptic connections, long-term depression (LTD) is a reduction in the efficacy of neuronal synapses. Numerous studies have identified some of the mechanisms of this phenomenon, in particular, the induction and expression mechanisms, as well as the changes in dendritic spine morphology. The most abundant type of synapse in the hippocampus is the excitatory glutamatergic synapse made on dendritic spines; the presence of the translational machinery in dendrites near spines strongly supports the concept of local mRNA translation. Moreover, those mRNA are transported in dendrites to activated synapses by RNA binding-proteins (RBP). Staufen proteins (Stau1 and Stau2) function in transport, localization and translational regulation of mRNA are now established. However, their precise roles in synaptic plasticity are still unknown. Thus, this Ph.D. thesis evaluates the importance of Staufen proteins in mRNA transport and regulation in synaptic plasticity. We have identified specific functions for each isoform; while Stau1 is implicated in late-LTP, Stau2 is required for mGluR-LTD. This specificity is also relevant for dendritic spine morphogenesis since Stau1 is involved in mature dendritic spine maintenance while Stau2 participates in dendritic spine morphogenesis at a developmental stage. Moreover, our studies have indicated that Stau1 involvement in spine morphogenesis is dependent on ongoing NMDA receptor-mediated plasticity. Finally, our results suggest that Stau2 is implicated in a particular form of synaptic plasticity through transport and regulation of specific mRNA granules required for mGluR-LTD such as Map1b. Our work uncovers specific roles of Stau1 and Stau2 in regulation of synaptic plasticity. These studies help to better understand mechanisms involving mRNA regulation by Staufen in long-term synaptic plasticity and memory. ENGLISH KEY WORDS: Staufen, hippocampus, synaptic plasticity, RNA granules, translation, dendritic spines

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS. / Ribozymes are catalytic RNAs frequently exploited for the development of biochemistry tools and therapeutic agents. They are particularly interesting in gene inactivation strategies for the degradation of mRNA and viral RNA genome. Currently, the most common ribozymes used in the development of therapeutic agents are the hammerhead and hairpin ribozymes, which can specifically recognize and cleave target single-stranded RNAs through the formation of stable secondary structures. In vivo, single-stranded RNAs can be difficult to target because most RNA adopt complex secondary and tertiary structures. It could be worthwhile to target folded RNA motifs, and an interesting target is the stem-loop structure because stem-loops are important for the overall folding of RNA molecules and they can perform important biological functions. The Neurospora VS ribozyme recognizes its stem-loop folded substrate via a specific kissing-loop interaction, but it has never been exploited for the recognition of target RNA very different from its natural substrate. The goal of the work presented in this thesis is to determine whether the VS ribozyme possesses the necessary adaptability for engineering ribozymes that target RNAs different from its natural substrate. For this thesis, the VS ribozyme was adapted for the recognition of different substrates and kinetic studies were performed to evaluate the effect of these modifications on the cleavage activity. In a first study, the VS ribozyme was modified to recognize and cleave substrates with different stem Ib lengths. The VS ribozyme was successfully adapted to theses substrates of different lengths with a cleavage activity similar to the unmodified ribozyme and substrate. In a second study, the I/V kissing-loop interaction was substituted by rational design, in order to establish if the VS ribozyme variants could recognize and cleave a substrate with a different loop than its natural substrate. The I/V kissing-loop interaction was substituted for the HIV-1 TAR/TAR* and the Deinococcus radiodurans RNA large rRNA subunit L22/L88 kissing-loop interactions. The cleavage reaction was observed for the ribozymes with these new interactions, but with reduced activity. Finally, in vitro selection (SELEX) was used to enable more efficient cleavage of a mutant substrate with a new loop. SELEX experiments enabled v the selection of ribozyme variants that cleave a substrate with a terminal loop mutated to that of the HIV-1 TAR RNA with a very efficient cleavage activity. All of the studies presented in this thesis show that the VS ribozyme can be modified in various ways for the specific recognition of different substrates, while maintaining efficient cleavage activity. These results demonstrate the great potential of VS ribozyme engineering and are very promising for further engineering studies of VS-derived ribozymes for the cleavage of stem-loop folded target RNA completely different from its natural VS ribozyme substrate.

L’interdisciplinarité est désormais inhérente à la recherche scientifique. L’essor des recherches dans le domaine médical a notamment favorisé cette interdisciplinarité. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux présentés dans ce manuscrit. En effet, ce dernier vise à la production de nouveaux outils adaptés à des problématiques des sciences de la vie. Ce manuscrit traite de spectroscopie de la fluorescence et de chimie des acides nucléiques. Il est divisé en deux sections : Dans la partie I, nous présentons de nouveaux fluorophores push-pull très brillants, non toxiques et pouvant être utilisé en cultures cellulaires. Ces composés, basés sur des motifs benzothiazoles, peuvent être modulés structurellement afin d'obtenir les propriétés photophysiques souhaitées. D'ailleurs, pour ces composés, une relation structure-propriétés photophysiques a été établie. Ensuite, en utilisant ces fluorophores, nous avons conçu de nouvelles sondes fluorescentes pour suivre l’activité enzymatique de la β-galactosidase. Cette dernière étant un marqueur de la sénéscence cellulaire, nous avons utilisé nos sondes pour détecter la sénescence, in vitro, par des méthodes de microscopie de fluorescence et de cytométrie en flux. La partie II de ce manuscrit est consacrée à la chimie des acides nucléiques. Tout d'abord nous y décrivons la préparation et l'évaluation de nouveaux ligands d’ARN ciblant le domaine IIId de l'IRES du VHC. Ces ligands présentent d'une part, un motif permettant de faire un triplet de base avec la séquence IIId afin d'apporter de la spécificité, et d'autre part, des fonctions aminées afin de stabiliser le triplet par interactions électrostatiques avec les phosphodiesters de IIId. Enfin, la dernière partie concerne le développement d'une nouvelle stratégie permettant la fonctionnalisation post-synthèse d'acides nucléiques en position anomère. Pour ce faire, nous avons conçu des plateformes phosphoramidites qui, une fois incorporées dans des brins oligonucléotidiques, peuvent être impliquées dans diverses réaction de glycosidation. / Interdisciplinary is an obvious feature of scientific research. Notably, the continuously expanding researches in the medical field fostered this interdisciplinarity. Within this context, the work presented here deals with fluorescence spectroscopy and nucleic acid chemistry and aims at providing new tools suited for applications in life sciences. This manuscript presents two sections. In Part I, we developed novel series of highly bright and non-toxic push-pull fluorophores, compatible with cellular applications. In fact, we describe new benzothiazole-based fluorophores that can be structurally modulated to provide dyes with tunable photophysical properties. Their structure-photophysics relationship is also reported. Next, using these fluorophores, we produced new fluorescent probes to monitor the enzymatic activity of the β-galactosidase. Of note, since β-galactosidase is a marker of cellular senescence, we also used our probes for the detection of early stages of cellular senescence using fluorescence microscopy and flow cytometry analysis. Part II of this manuscript is devoted to the chemistry of nucleic acids. First, we describe the preparation and evaluation of novel RNA ligands targeting the IIId domain of the HCV IRES. These ligands can make a base triplet with the IIId sequence to provide specificity, and harbour amino functions to stabilize the triplet by electrostatic interaction with the phosphodiesters of IIId. Finally, the last part concerns the development of a new strategy allowing the post-synthetic functionalization of nucleic acids at the anomeric position. To do this, we designed new phosphoramidite platforms that, once incorporated into oligonucleotide strands, can be involved in various glycosidation reactions.

Au sein des cellules, les ARNms sont liés par de nombreuses protéines, générant ainsi des particules appelées mRNPs (Ribonucléoparticules de messagers). Leur formation est cotranscriptionnelle, et leur composition va réguler l’ensemble des étapes du métabolisme des ARNms : stabilité, maturation, export, localisation et traduction. Au vu de l’importance de ces mécanismes dans la physiologie cellulaire, le contenu protéique des mRNPs est finement régulé dans le temps et l’espace et fait l’objet de nombreux remodelages. Ces changements de composition dépendent notamment des hélicases, ainsi que des modifications post-traductionnelles ; cependant, ces mécanismes demeurent à caractériser de façon plus approfondie. Une modification post-traductionnelle susceptible de moduler ces remaniements depuis la levure S. cerevisiae jusqu’aux métazoaires est la sumoylation. En effet, la SUMO-protéase Ulp1/SENP2, une enzyme clé de la machinerie de sumoylation, est localisée au panier des pores nucléaires, à proximité d’une plateforme d’ancrage des mRNPs destinées à l’export. Par ailleurs, il a été rapporté chez la levure que des mutants affectant la localisation et la stabilité d’Ulp1 présentent des défauts d’export et de localisation des mRNPs. Au vu de ces données, le laboratoire s’est intéressé aux rôles potentiels de la sumoylation dans le métabolisme de ces particules d’ARNm. Dans ce but, un crible protéomique a été réalisé chez la levure S. cerevisiae afin de comparer la composition des mRNPs entre des cellules sauvages ou mutantes pour Ulp1. Ce crible a mis en évidence un rôle d’Ulp1 dans le recrutement de deux composants des mRNPs, le complexe THO et l’hnRNP Hek2. Le complexe THO est un facteur multiprotéique qui participe à la prévention de l’instabilité génique et contribue à la transcription des ARNms, à l’assemblage des mRNPs et à leur export. L’hnRNP Hek2 est une protéine aux rôles multiples, dont l’association à un ARNm est susceptible de moduler sa stabilité, sa traduction et/ou sa localisation. Des analyses biochimiques nous ont permis de mettre en évidence l’existence de formes sumoylées de la sous-unité Hpr1 du complexe THO ainsi que de l’hnRNP Hek2. Toutes deux sont Ulp1-dépendantes, et interviennent sur la partie C-terminale de ces protéines. Nous avons également mis en évidence que chacune de ces sumoylations contrôle le recrutement de son substrat au sein des mRNPs. L’analyse fonctionnelle d’un mutant affectant la sumoylation d’Hpr1 a identifié cette modification comme nécessaire au recrutement du complexe THO sur une population d’ARNms impliqués dans la résistance au stress acide, autrement dégradés par l’exosome. Ainsi, l’absence de sumoylation d’Hpr1 diminue fortement la viabilité cellulaire en conditions de stress, un phénotype supprimé par l’inactivation de l’exosome. L’étude des effets de la sumoylation d’Hek2 suggère une modulation par SUMO de certaines de ses fonctions, notamment dans la localisation cellulaire des ARNms. L’ensemble de ces données fournit donc les deux premiers exemples de régulation du métabolisme des mRNPs par des événements de sumoylation intervenant au niveau du pore nucléaire. / Within the cells, mRNAs are associated to proteins, thereby generating particles called mRNPs (messenger ribonucleoproteins). mRNPs form in a cotranscriptional manner and their composition defines the fate of mRNAs by modulating the different steps of their metabolism, including their stability, their processing, their export, their localisation and their translation. In view of the importance of such mechanisms for cell physiology, several mechanisms ensure a tight spatio-temporal control of mRNPs composition through multiple mRNP remodelling events. These changes in the protein content of mRNPs depend on helicases and post-translational modifications, but remain to be further investigated. Sumoylation is one of the modifications that could contribute to mRNPs remodelling from yeast (S. cerevisiae) to metazoans. Indeed, it has been reported that the SUMO-protease Ulp1/SENP2, a key enzyme of the sumoylation machinery, is localized at the basket of nuclear pore complexes, in close vicinity with mRNPs committed for export. This particular localization, together with the reported defects in mRNPs export and localisation of yeast mutants affecting Ulp1, prompted the lab to ask whether sumoylation could contribute to mRNP biogenesis. In order to investigate this hypothesis, our lab compared mRNPs composition between wild-type and ulp1 mutant S. cerevisiae yeast strains using a proteomic approach. This screen identified two mRNP components that depend on Ulp1 for their recruitment onto these particles: the THO complex and the hnRNP Hek2. The THO complex is a multi-subunit factor that prevents genome instability and contributes to transcription, mRNP assembly and export. Hek2 has multiple functions in mRNA stability, translation and/or localization. Using biochemical approaches, we have been able to visualize sumoylated versions of the Hpr1 subunit of the THO complex and of the hnRNP Hek2. In both cases, this modification depends on Ulp1 activity and occurs on the C-terminal part of the protein. We further showed that these sumoylation events control THO and Hek2 recruitment onto mRNPs. Functional analysis of a mutant impairing Hpr1 sumoylation revealed that this modification is required for proper recruitment of the THO complex onto a subset of mRNAs involved in acidic stress resistance, which are otherwise degraded by the exosome. Decreased Hpr1 sumoylation results in a strong reduction of viability in acid stress conditions, a phenotype that is rescued by inactivation of the exosome. The investigation of the role of Hek2 sumoylation in mRNPs metabolism suggests that this modification regulates some of Hek2 functions, especially in mRNA localisation. All together, these results provide the two first examples of mRNPs components whose functions are regulated by sumoylation events occurring at the level of nuclear pores.