Les lymphocytes T CD8+ jouent un rôle prépondérant dans le contrôle de l’infection par le VIH suggérant ainsi qu’un vaccin efficace doit induire une réponse cellulaire T CD8+ robuste et durable.En fournissant une source antigénique importante qui fait défaut chez les patients répondeurs aux poly-chimiothérapies antirétrovirales, la vaccination thérapeutique pourrait favoriser ce type de réponse cellulaire, non restaurée par les seuls traitements antirétroviraux. Les cellules dendritiques (DC) autologues, qu’elles soient chargées en virus inactivé, en peptides viraux ou en ARN messagers (ARNm) sont capables d’induire des réponses robustes des cellules T CD8+ contre les antigènes du VIH, faisant de bons candidats vaccins thérapeutiques.Dans ce projet, nous avons étudié l’efficacité d’une vaccination thérapeutique basée sur l’injection de DC autologues transfectées ex vivo avec des ARNm codant les protéines du VIH (projet initié en collaboration avec Guido Vanham, Institute of Tropical Medicine, Anvers). La composante antigénique du vaccin est fournie par les séquences virales endogènes du patient; ainsi nous espérons adapter la spécificité de la réponse immunitaire aux virus autologues. Nous travaillons avec le Macaque cynomolgus comme modèle animal d’infection par les virus d’immunodéficience (SIV), modèle pertinent dans l’approfondissement des connaissances en pathogénèse et en développement vaccinal, notamment pour tester l’innocuité et l’efficacité des vaccins basés sur l’utilisation des DC. La mise au point un système de culture de DC basé sur la prolifération puis la différenciation des progéniteurs hématopoïétiques CD34+, qui nous a permis de générer in vitro des DC matures en nombre suffisant pour la vaccination (au moins 10.106).Nous avons caractérisé ces DC phénotypiquement, avec une attention particulière vis-à-vis de l’expression de lectines de type C et d’autres récepteurs DC-spécifiques. Nous avons mis en évidence que l’état d’activation des DC définit le niveau d’expression de ces molécules. Ces récepteurs membranaires sont impliqués dans la capture et la présentation des antigènes aux effecteurs, ainsi que dans l’orientation de la réponse immune. Le phénotype des DC générées in vitro a été comparé au phénotype de plusieurs population de cellules présentatrices d’antigène présentes in vivo chez le macaque.La transfection avec des ARNm par électroporation est un moyen sûr et efficace de charger les DC en antigènes. Nous avons étudié dans un premier temps l’immunogénicité du vaccin chez des macaques sains. Les résultats montrent qu’une réponse cellulaire de type Th1 (IFN-gamma et interleukine-2) spécifique à Gag est induite dès la première injection et peut être renforcée après les injections suivantes. Nous avons également mis en évidence l’induction de lymphocytes T CD8+ capables de sécréter en réponse à Gag plusieurs de ces cytokines, IFNg, IL2, TNFa, la chimiokine MIP1b, ou encore le marqueur de dégranulation cytotoxique CD107a. En revanche, aucune sécrétion de cytokine de type 2 ni de réponse anticorps spécifique de Gag n'a pu être mise en évidence.La seconde partie de notre projet a consisté en l’étude d’une stratégie de vaccination par ciblage des DC in vivo avec des protéines de fusion DC-spécifiques associées à des antigènes. Ce travail a été mené en collaboration avec le Baylor Insitute for Immunology Research (BIIR) à Dallas. Nous avons tout d’abord sélectionné les meilleurs clones d’Ac spécifiques de molécules humaines pour leur réactivité croisée avec les molécules du macaque cynomolgus. L’immunogénicité de protéines de fusion (dirigées contre LOX-1 et DC-ASGPR couplées à Gag du VIH ou HA1 de Influenza), a ensuite été évaluée in vivo chez le macaque. Ces travaux ont confirmé in vivo que l’induction de différents profils de réponses immunitaires Ag-spécifiques (Th1 et IL10) est possible par ciblage in vivo des DC avec des protéines de fusion dirigées contre différentes molécules (LOX-1 et DC-ASGPR). / Current treatments against HIV infection would benefit from the development of complementary immunotherapeutic strategies. Dendritic cells (DC) play a major role in the induction of immune responses. In this thesis, we examine the use of the DC in therapeutic vaccination. Ex vivo loading of DC with messenger RNA encoding viral proteins and in vivo loading of DC by targeting antigen to DC-specific endocytic receptors are two strategies evaluated in healthy macaque.

Maternally supplied mRNAs encode for necessary developmental regulators that pattern early embryos in many species until zygotic transcription is activated. In Caenorhabditis elegans, post-transcriptional regulatory mechanisms guide early development during embryogenesis. Maternal transcripts remain in a translationally silenced state until fertilization. A suite of RNA-binding proteins (RBP’s) regulate these maternally supplied mRNAs during oogenesis, the oocyte-to-embryo transition, and early embryogenesis. Identifying the target specificity of these RNA-binding proteins will reveal their contribution to patterning of the embryo. We are studying post-transcriptional regulation of maternal mRNAs during oocyte maturation, which is an essential part of meiosis that prepares oocytes for fertilization. Although the physiological events taking place during oocyte maturation have been well studied, the molecular mechanisms that regulate oocyte maturation are not well understood. OMA-1 and OMA-2 are essential CCCH-type tandem zinc finger (TZF) RBP’s that function redundantly during oocyte maturation. This dissertation shows that I defined the RNA-binding specificity of OMA-1, and demonstrated that OMA-1/2 are required to repress the expression of 3ʹUTR reporters in developing oocytes. The recovered sequences from in vitro selection demonstrated that OMA-1 binds UAA and UAU repeats in a cooperative fashion. Interestingly, OMA-1 binds with high affinity to a conserved region of the glp-1 3ʹUTR that is rich in UAA and UAU repeats. Multiple RNA-binding proteins regulate translation of GLP-1 protein, a homolog of Notch receptor. In addition to previously identified RBP’s, we showed that OMA-1 and OMA-2 repress glp-1 reporter expression in C. elegans oocytes. Mapping the OMA-1 dependent regulatory sites in the glp-1 mRNA and characterizing the interplay between OMA-1 and other factors will help reveal how multiple regulatory signals coordinate the transition from oocyte to embryo but the abundance of OMA-1 binding motifs within the glp-1 3ʹUTR makes it infeasible to identify sites with a functional consequence. I therefore first developed a strategy that allowed us to generate transgenic strains efficiently using a library adaptation of MosSCI transgenesis in combination with rapid RNAi screening to identify RBP-mRNA interactions with a functional consequence. This allowed me to identify five novel mRNA targets of OMA-1 with an in vivo regulatory connection. In conclusion, the findings in this dissertation provide new insights into OMA-1 mediated mRNA regulation and provide new tools for C. elegans transgenesis. Development of library MosSCI will advance functional mapping of OMA-1 dependent regulatory sites in the target mRNAs. Extending this strategy to map functional interactions between mRNA targets and RNAbinding proteins in will help reveal how multiple regulatory binding events coordinate complex cellular events such as oocyte to embryo transition and cell-fate specification.

RNA-binding proteins (RBPs) are important for a wide variety of biological processes involved in gene regulation. However, the structural and dynamic contributions to their biological activity are poorly understood. The tristetraprolin (TTP) family of RBPs, including TTP, TIS11b and TIS11d, regulate the stability of mRNA transcripts encoding for key cancer-related proteins, such as tumor necrosis factor- and vascular endothelial growth factor. Biophysical studies have shown that the RNA binding domain, consisting of two CCCH zinc fingers (ZFs), is folded in the absence of RNA in TIS11d and TIS11b. In TTP, however, only ZF1 adopts a stable fold, while RNA is required to completely fold the tandem zinc finger (TZF). The focus of this research was to understand the origin and biological significance of the structural differences observed for the TZF domains of TTP and TIS11d. Three residues were shown to control the affinity for the structural Zn2+ and determine the folding of ZF2 in the absence of RNA. The partially-folded TZF domain of TTP has greater selectivity for RNA sequences than the fully folded TZF domain of TIS11d. The mRNA destabilizing activity of TTP was increased when the partially disordered RBD of TTP was replaced with the fully structured TZF domain of TIS11d. Disruption of the structure and/or dynamics of the TZF domain observed in the disease-associated mutations of TIS11d, P190L and D219E, results in aberrant cytoplasmic localization. This work demonstrates that the extent of RBD folding in the TTP family is important for differential RNA recognition, mRNA turnover, and protein localization in vivo.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Patients with the genetic disorder tuberous sclerosis complex (TSC) suffer from neoplastic growths in multiple organ systems. These growths are the result of inactivating mutations in either the TSC1 or TSC2 tumor suppressor genes, which negatively regulate the activity of mammalian target of rapamycin complex 1(mTORC1). There is currently no cure for this disease; however, my research has found that cells harboring TSC2-inactivating mutations derived from a rat model of TSC are sensitive to apoptosis induced by the clinically approved proteasome inhibitor, bortezomib, in a manner dependent on their high levels of mTORC1 activation. We see that bortezomib induces the unfolded protein response (UPR) in our cell model of TSC, resulting in cell death via apoptosis. The UPR is induced by accumulation of unfolded protein in the endoplasmic reticulum (ER) which activates the three branches of this pathway: Activating transcription factor 6 (ATF6) cleavage, phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2α (eIF2α), and the splicing of X-box binding protein1 (XBP1) mRNA. Phosphorylation of eIF2α leads to global inhibition of protein synthesis, preventing more unfolded protein from accumulating in the ER. This phosphorylation also induces the transcription and translation of ATF4 and CCAAT-enhancer binding protein homologous protein (CHOP). Blocking mTORC1 activity in these cells using the mTORC1 inhibitor, rapamycin, prevented the expression of ATF4 and CHOP at both the mRNA and protein level during bortezomib treatment. Rapamycin treatment also reduced apoptosis induced by bortezomib; however, it did not affect bortezomib-induced eIF2α phosphorylation or ATF6 cleavage. These data indicate that rapamycin can repress the induction of UPR-dependent apoptosis by suppressing the transcription of ATF4 and CHOP mRNAs. In addition to these findings, we find that a TSC2-null angiomyolipoma cell line forms vacuoles when treated with the proteasome inhibitor MG-132. We found these vacuoles to be derived from the ER and that rapamycin blocked their formation. Rapamycin also enhanced expansion of the ER during MG-132 stress and restored its degradation by autophagy. Taken together these findings suggest that bortezomib might be used to treat neoplastic growths associated with TSC. However, they also caution against combining specific cell death inducing agents with rapamycin during chemotherapy.

It is now a matter of routine for the forensic scientist to obtain the genetic profile of an individual from DNA recovered from a biological stain deposited at a crime scene. Potential contributors of the stain must either be known to investigators (i.e. a developed suspect) or the questioned profile must be searched against a database of DNA profiles such as those maintained in the CODIS National DNA database. However, in those instances where there is no developed suspect and no match is obtained after interrogation of appropriate DNA databases, the DNA profile per se presently provides no meaningful information to investigators, with the notable exception of gender determination. In these situations it would be advantageous to the investigation, if additional probative information could be obtained from the biological stain. A useful biometric that could provide important probative information, and one that may be amenable to molecular genetic analysis, is the biological age of an individual. The ability to provide investigators with information as to whether a DNA donor is a newborn, infant, toddler, child, adolescent, adult, middle-aged or elderly individual could be useful in certain cases, particularly those involving young children such as kidnappings or in providing additional intelligence during terrorist investigations. Currently no validated molecular assays exist for age determination. Biological human ageing can be defined by two distinct processes, degenerative and developmental ageing. The degenerative process of ageing is based on theories which identify an increase or decrease in physiological conditions with increasing age. In contrast, the developmental process of ageing is based on the theory that as individuals increase in chronological age, there will be subtle corresponding molecular based biological changes, each requiring genes to be expressed or silenced, indicative of that particular stage of life. We investigated the degenerative process of chromosomal telomere shortening, as well as the developmental process of gene expression profiling analysis, in an attempt to identify biomarkers of biological age in a self-renewing tissue such as blood. While telomere length analysis was an ineffective method for age determination; gene expression analysis revealed three gene transcripts expressed in an age-dependent physiological manner. These species namely- COL1A2, HBE1 and IGFBP3, were found to be expressed at elevated levels in younger individuals, newborns, or post-pubertal individuals, respectively. The biological process of hemoglobin switching was also investigated for the possibility of determining human age. While experimenting with the potential of using the gamma-hemoglobin chains, as newborn specific gene candidates, we serendipitously discovered four novel truncated transcripts, which we have termed HBG1n1, HBG1n2, HBG2n2 and HBG2n3; whose expression was restricted to whole-blood newborn samples and specific fetal tissues. The molecular origin of these transcripts appears to be at the RNA level, being produced by specific rearrangement events occurring in the standard gamma hemoglobin transcripts (HBG1 and HBG2), which yield these new isoforms that are expressed in a highly regulated tissue specific manner.

Suite à la pandémie de COVID-19, l’utilisation de l’ARNm en tant qu’agent thérapeutique s’est révélé prometteur pour la lutte contre les maladies infectieuses. Cependant, l’un des principaux défis à surmonter est la nécessité de préserver l’intégrité de l’ARNm contre la dégradation enzymatique qui peut entraver son efficacité thérapeutique. L’utilisation du chitosane comme vecteur de livraison a engendré beaucoup d’intérêt dû à ses propriétés de biocompatibilité, biodégradation et de faible toxicité. Lorsqu’il est associé à l’ARNm, le chitosane forme des nanoparticules grâce à une interaction électrostatique entre la charge positive du chitosane et la charge négative de l’ARNm. Notre laboratoire a synthétisé un nanovecteur composé de CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅ avec des modifications incorporées sous forme d’ajout de groupes DIPEA et PEG. Ces modifications sont conçues pour augmenter la stabilité et prolonger la demi-vie des nanoparticules. Le but de notre projet est de développer une nouvelle nanoplateforme vaccinale basée sur l’utilisation de nanoparticules CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅/ARNm qui permettra de protéger l’ARNm contre la dégradation enzymatique et à faciliter sa livraison à son site d’action in vitro. Les nanoparticules CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅/ARNm ont été caractérisées par DLS pour mesurer la taille ainsi que le potentiel zêta. Ensuite, des essais ont été réalisés sur la complexation, l’encapsulation et la libération de l’ARNm du polymère CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅. Ces derniers ont montré une complexation totale à ratio N/P 3 :1 ainsi qu’une efficacité d’encapsulation de 95%. Par la suite, des évaluations de cytotoxicité ont été effectuées sur trois lignées cellulaires : les Caco-2, RAW 264.7 et HEKa. Les nanoparticules ont montré une viabilité cellulaire de 98.58 ± 8.1%, 91.52 ± 4.25% et 97.65 ± 4.3% respectivement. Les essais de stabilité ont montré que ces nanoparticules étaient capables de protéger l’ARNm contre la dégradation par les RNases pendant une période allant jusqu’à 48h. Enfin, des études de transfection ont été confirmées par microscopie confocale. Nos nanoparticules ont montré une bonne capacité de protection ainsi qu’une efficacité d’internalisation dans les trois lignées cellulaires. Cependant, il n’a pas été possible d’observer l’expression protéique de la protéine EGFP correspondant à l’ARNm utilisé. On suggère que c’est dû aux fortes interactions entre le chitosane et l’ARNm qui empêche sa libération une fois qu’il est internalisé. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches pour améliorer les modifications apportées au vecteur CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅ afin de trouver un équilibre entre la protection de l’acide nucléique et sa libération. / Due to the COVID-19 pandemic, the use of mRNA as a therapeutic agent in fighting infectious illnesses has shown a great potential. However, one of the key hurdles to overcome is the requirement to protect mRNA against enzymatic degradation, which might impair its therapeutic efficacy. Because of its biocompatibility, biodegradability, and low toxicity, the use of chitosan as a delivery vector has gained significant interest. When associated with mRNA, chitosan forms nanoparticles through electrostatic interaction between the positive charge of chitosan and the negative charge of mRNA. Our laboratory has synthesized a nanocarrier composed of CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅ with incorporated modifications in the form of DIPEA and PEG groups. These modifications are intended to improve nanoparticle stability and lengthen their half life. Our project’s objective is to create a novel vaccine nanoplatform based on the use of CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅/mRNA nanoparticles that will protect mRNA from enzymatic degradation and enable its delivery to its in vitro location. DLS was used to determine the size and zeta potential of the CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅/mRNA nanoparticles. Following that, experiments on the complexation, encapsulation and release of mRNA from CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅ were performed. These experiments showed full complexation at N/P ratio of 3:1 and and an encapsulation efficiency of 95%. Following that, three cell lines were tested for cytotoxicity: Caco-2, RAW 264.7, and HEKa. The cell viability of nanoparticles was 98.58 ± 8.1%, 91.52 ± 4.25% and 97.65 ± 4.3%, respectively. Stability tests showed that these nanoparticles could protect mRNA from RNase degradation for up to 48 hours. Finally, transfection studies were confirmed by confocal microscopy. In all three cell lines, our nanoparticles showed good protection and internalization efficiency. However, it was not possible to observe the protein expression of the EGFP protein corresponding to the used mRNA. It is suggested that this is due to strong interactions between chitosan and mRNA, preventing its release once internalized. As a result, more study is required to optimize the modifications made to the CH-DIPEA₅₃-PEG₁.₁₅ vector in order to achieve a balance between nucleic acid protection and release.

The human immune system is made up of cells and molecules distributed across the body, which provide protection from acute viral infection and can be maintained in diverse tissue sites as memory to protect against repeat viral exposure. Vaccine technology has leveraged our understanding of human immunity to induce immune memory in humans without infection. However, we continue to encounter novel infections, as evidenced by the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic, which necessitates the development of new vaccines and formulations, including the mRNA vaccine platform. Vaccine development began with serendipitous discoveries and, even today, often relies on empirical approaches that prioritize clinical outcomes over immunologic ones. For the recently developed coronavirus disease of 2019 (COVID-19) mRNA vaccines, we know that they confer clinical protection that wanes over time but have a more limited understanding of the immune memory they induce. Specifically, we do not know the tissue distribution of vaccine memory, these vaccines’ capacity to induce tissue-resident memory or various functional programs, and the relative role of B and T cells in protection. Through a unique collaboration with the New York City area organ procurement organization, LiveOnNY, we collected blood, bone marrow, spleen, lung, and various lymph nodes (LN) from human organ donors who had received COVID-19 mRNA vaccines. Using these tissues, we employed multimodal, high-dimensional analysis tools to investigate the localization, phenotype, maintenance, and functions of COVID-19 vaccine-induced memory in the context of host factors such as age, time post-vaccination, and prior SARS-CoV-2 infection. In samples from 63 organ donors aged 23-86, we found that COVID-19 vaccine memory was distributed across tissues, especially in LN, and was more durable across time post-vaccination and age in tissues than in circulation. Vaccine-specific B cells were mostly class-switched resident memory, while vaccine-specific T cells were variably tissue-resident depending on infection history. Vaccine-specific T cell effector functions were diverse and site-specific with an enhanced regulatory profile in tissues compared to circulating populations. To investigate the interaction between T and B cells in immune memory generation and their relative roles in protection, we also compared the quantity and quality of circulating COVID-19 vaccine induced memory from patients with multiple sclerosis taking B cell depleting (BCD) therapies to those taking other immunomodulatory therapies (non-BCD). In 281 samples from 216 subjects aged 24-78 we found that COVID-19 vaccine induced humoral immunity was completely diminished in the context of B cell depletion, but that cellular immunity, especially CD8+T cells, were enhanced in this context and maintained over time. Further, BCD subjects experienced equivalent numbers of infections following vaccination as non-BCD subjects. Together, these findings demonstrate that T cell responses can develop independently from, and may even be limited by, B cell responses, and that T cells but not B cells are critical for vaccine-induced protection. Ultimately, these findings provide critical insights for future vaccine development; studies must assess LN responses and aim to generate a robust cellular response that includes both regulatory and effector functional profiles within tissues.

Le transport et la traduction localisée des ARN messagers sont observés chez plusieurs organismes et sont requis pour de multiples phénomènes tels la mémoire, la division cellulaire asymétrique et l’établissement des axes durant le développement. Staufen, une protéine liant l’ARN double-brin, a été identifié dans un premier temps chez la mouche à fruits Drosophila melanogaster. Il a été montré, chez cet organisme, que Staufen est requis pour la localisation des messagers bicoid et oskar aux pôles antérieur et postérieur de l’ovocyte, respectivement. Également, Staufen est requis afin que la répression traductionnelle du messager oskar soit levée une fois qu’il est bien localisé. Chez les mammifères, Stau1 est une protéine ubiquiste qui est présente dans des complexes prenant la forme de granules dans les dendrites des neurones. Également, Stau1 peut interagir de façon indépendante de l’ARN avec le ribosome et cofractionner tant avec la sous-unité 40S qu’avec la sous-unité 60S du ribosome dans un gradient de saccharose. L’implication de Stau1 dans un mécanisme permettant la dérépression traductionnelle de certains ARNm chez les mammifères était donc une voie d’investigation intéressante. Nous avons donc décidé de vérifier si Stau1 mammifère avait la capacité de stimuler la traduction d’un ARNm cellulaire via un mécanisme régulé. Au moment où cette thèse a été entreprise, aucun ARNm cellulaire lié par Stau1 n’avait été identifié chez les mammifères. Des structures d’ARN double-brin ont donc été employées afin de réprimer la traduction d’un ARNm rapporteur. C’est ainsi que nous avons montré que Stau1 peut stimuler la traduction d’un ARNm lorsqu’il lie celui-ci dans sa région 5’ non-traduite. Par la suite, en employant des micropuces d’ADN, nous avons identifié des messagers cellulaires dont la distribution dans les polysomes lourds est modifiée par Stau1. En effet, un groupe de messagers est enrichi dans les polysomes lourds suite à une surexpression de Stau1, ce qui suggère que Stau1 stimule la traduction de cette population d’ARNm. Afin d’identifier un mécanisme potentiel de régulation de l’activité traductionnelle de Stau1, nous nous sommes intéressés à la capacité d’auto-association de cette protéine. Nous avons montré que Stau1, tout comme plusieurs protéines liant l’ARN double-brin, est en mesure de s’associer à lui-même, et ce, d’une façon indépendante de l’ARN. Nous avons identifié les déterminants impliqués mettant ainsi au jour un nouveau mécanisme pouvant influencer les activités cellulaires de Stau1. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent donc que Stau1 est en mesure de stimuler la traduction d’une sous-population précise d’ARN messagers au sein de la cellule permettant ainsi de jeter un regard nouveau sur l’implication de cette protéine dans divers phénomènes au sein de l’organisme. / Transport and local translation of RNA are found in several organisms and are required for multiple phenomena such as memory, asymmetric cell division and establishment of the axis during development. Staufen, a double-stranded RNA binding protein, was first identified in Drosophila melanogaster. In the fruitfly, it was shown that Staufen is required for the proper localization of the bicoid and oskar transcripts to the anterior and posterior ends of the oocyte, respectively. It was also found that Staufen is important for the translational derepression of oskar once it is adequately localized. In mammals, Stau1 is a ubiquitous protein found in granules in the dendrites of neurons. Also, Stau1 can bind the ribosome in a RNA-independent manner and cofractionates with both ribosomal subunits in a sucrose gradient. The implication of Stau1 in a mechanism allowing translational derepression of certain RNAs in mammals was therefore an interesting path to explore. Accordingly, we decided to verify if mammalian Stau1 had the capacity to stimulate the translation of cellular RNAs through a regulated mechanism. When this thesis was initiated, no cellular RNA target of Stau1 had been identified in mammals. Therefore, double-stranded RNA structures were used to repress the translation of a reporter mRNA. With this model, we showed that Stau1 can stimulate the translation of a transcript when it is bound to its 5’ UTR. With the use of DNA microarrays, we identified cellular mRNAs which distribution in heavy polysomes was altered by Stau1. When Stau1 is overexpressed, this group of mRNAs is enriched heavy polysomes, suggesting a translational stimulation of this population by Stau1. To identify a regulatory mechanism that could influence Stau1’s translational activity, we studied the self-association capacity of this protein. We showed that Stau1, like several double-stranded RNA binding proteins, can self-associate in a RNA-independent manner. We have identified the determinants required for this interaction that as the potential to be important for the regulation of the cellular activities of Stau1. The results presented in this thesis suggest that Stau1 can stimulate the translation of a specific subset of mRNAs in the cell, letting us look at Stau1’s implication in different processes from a new point of view.

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

Les différents mécanismes de régulation posttranscriptionnelle de l’expression des gènes sont de plus en plus reconnus comme des processus essentiels dans divers phénomènes physiologiques importants, comme la prolifération cellulaire et la réponse aux dommages à l’ADN. Deux des protéines impliquées dans ce type de régulation sont Staufen1 (Stau1) et Staufen2 (Stau2). Elles sont des protéines de liaison à l’ARN double brin qui contribuent au transport de l’ARN messager (ARNm), au contrôle de la traduction, à l’épissage alternatif et sont responsables de la dégradation de certains ARNm spécifiques. Les protéines Staufen peuvent en effet s’associer à des ARNm bien précis, d’autant plus que, majoritairement, Stau1 et Stau2 ne se retrouvent pas en complexe avec les mêmes cibles. De nombreuses évidences récentes montrent l’implication de divers mécanismes de régulation posttranscriptionnelle dans la réponse aux dommages à l’ADN, plusieurs protéines de liaison à l’ARN y participant d’ailleurs. De façon importante, cette réponse dicte un ou plusieurs destin(s) à la cellule qui doit réagir à la suite de dommages à l’intégrité de son ADN: réparation de l’ADN, arrêt de la prolifération cellulaire, apoptose. Nous avons donc fait l’hypothèse que l’expression de Stau1 et/ou de Stau2 pourrait être affectée en réponse à un stress génotoxique, ce qui pourrait avoir comme conséquence de moduler l’expression et/ou la stabilité de leurs ARNm cibles. De même, notre laboratoire a récemment observé que l’expression de Stau1 varie pendant le cycle cellulaire, celle-ci étant plus élevée jusqu’au début de la mitose (prométaphase), puis elle diminue alors que les cellules complètent leur division. Par conséquent, nous avons fait l’hypothèse que Stau1 pourrait lier des ARNm de façon différentielle dans des cellules bloquées en prométaphase et dans des cellules asynchrones. D’un côté, en employant la camptothécine (CPT), une drogue causant des dommages à l’ADN, pour traiter des cellules de la lignée de cancer colorectal HCT116, nous avons observé que seule l’expression de Stau2 est réduite de façon considérable, tant au niveau de la protéine que de l’ARNm. L’utilisation d’autres agents cytotoxiques a permis de confirmer cette observation initiale. De plus, nous avons constaté que l’expression de Stau2 est touchée même dans des conditions n’engendrant pas une réponse apoptotique, ce qui suggère que cette déplétion de Stau2 est possiblement importante pour la mise en place d’une réponse appropriée aux dommages à l’ADN. D’ailleurs, la surexpression de Stau2 conjointement avec le traitement à la CPT entraîne un retard dans l’induction de l’apoptose dans les cellules HCT116. Nous avons aussi montré que la diminution de l’expression de Stau2 est due à une régulation de sa transcription en réponse au stress génotoxique, ce pourquoi une région minimale du promoteur putatif de Stau2 est nécessaire. Également, nous avons identifié que le facteur de transcription E2F1, couramment impliqué dans la réponse aux dommages à l’ADN, peut contrôler l’expression de Stau2. Ainsi, E2F1 permet une augmentation de l’expression de Stau2 dans des cellules non traitées, mais cette hausse est abolie dans des cellules traitées à la CPT, ce qui suggère que la CPT pourrait agir en inhibant l’activation transcriptionnelle de Stau2 par E2F1. Enfin, nous avons observé que certains ARNm associés à Stau2, et codant pour des protéines impliquées dans la réponse aux dommages à l’ADN et l’apoptose, sont exprimés différemment dans des cellules traitées à la CPT et des cellules non traitées. D’un autre côté, nous avons identifié les ARNm associés à Stau1 lors de la prométaphase, alors que l’expression de Stau1 est à son niveau le plus élevé pendant le cycle cellulaire, grâce à une étude à grande échelle de micropuces d’ADN dans des cellules HEK293T. Nous avons par la suite confirmé l’association entre Stau1 et certains ARNm d’intérêts, donc codant pour des protéines impliquées dans la régulation de la prolifération cellulaire et/ou le déroulement de la mitose. Une comparaison de la liaison de ces ARNm à Stau1 dans des cellules bloquées en prométaphase par rapport à des cellules asynchrones nous a permis de constater une association préférentielle dans les cellules en prométaphase. Ceci suggère une augmentation potentielle de la régulation de ces ARNm par Stau1 à ce moment du cycle cellulaire. Les données présentées dans cette thèse indiquent vraisemblablement que la régulation posttranscriptionnelle de l’expression génique contrôlée par les protéines Staufen se fait en partie grâce à la modulation de l’expression de Stau1 et de Stau2 en fonction des conditions cellulaires. Nous envisageons alors que cette variation de l’expression des protéines Staufen ait des conséquences sur des sous-ensembles d’ARNm auxquels elles sont liées et que de cette façon, elles jouent un rôle pour réguler des processus physiologiques essentiels comme la réponse aux dommages à l’ADN et la progression dans le cycle cellulaire. / The various mecanisms of post-transcriptional regulation of gene expression are more and more recognized as essential processes in diverse important physiological phenomenons, like cell proliferation and the DNA damage response (DDR). Two of the proteins implicated in this type of regulation are Staufen1 (Stau1) and Staufen2 (Stau2). They are double-stranded RNA binding proteins contributing to messenger RNA (mRNA) transport, translation control, alternative splicing and are responsible for the degradation of some specific mRNAs. The Staufen proteins are indeed able to associate with particular mRNAs. Interestingly, Stau1 and Stau2 predominantly form complexes with different targets. Recent evidences show the implication of various post-transcriptional regulation mecanisms in the DDR, moreover several RNA binding proteins are involved. Importantly, this response dictates one or several cell fates following damage to the integrity of the cell’s DNA: DNA repair, cell proliferation arrest, apoptosis. We hypothesized that Stau1 and/or Stau2 expression could be affected in response to genotoxic stress, which could consequently modulate the expression and/or the stability of their mRNA targets. Also, our laboratory has recently observed that Stau1 expression varies during the cell cycle. It is elevated up to the beginning of mitosis (prometaphase) and it decreases as cells complete their division. We therefore hypothesized that Stau1 could differentially bind mRNAs in cells blocked in prometaphasis and in asynchronous cells. On the one hand, by using camptothecin (CPT), a DNA damaging agent, to treat cells from the colorectal cancer cell line HCT116, we observed that only the expression of Stau2 is considerably reduced, both at the level of the protein and that of the mRNA. The use of other cytotoxic agents allowed us to confirm this initial observation. We also noted that Stau2 expression is down-regulated even in conditions that do not induce apoptosis, suggesting that the decrease in Stau2 expression may be required for a proper DDR. Indeed, Stau2 overexpression together with the CPT treatment causes a delay in apoptosis induction in HCT116 cells. We also showed that Stau2 down-regulation is due to the regulation of its transcription in response to the genotoxic stress, which necessitates a minimal region in Stau2’s putative promoter. Besides, we identified the E2F1 transcription factor, commonly implicated in the DDR, as a regulator of Stau2 expression. E2F1 thus stimulates an increase in Stau2 expression in non-treated cells, but this up-regulation is abolished in CPT-treated cells, which suggests that CPT could act by inhibiting Stau2 transcriptional activation by E2F1. Finally, we observed that some Stau2-associated mRNAs, which code for proteins implicated in the DDR and apoptosis, are differentially expressed in CPT-treated cells compared to non-treated cells. On the other hand, we identified Stau1-associated mRNAs during prometaphase, when Stau1 expression is at its highest level in the cell cycle, by performing a large-scale study using DNA microarrays in HEK293T cells. We subsequently confirmed the association between Stau1 and some mRNAs of interest, mainly coding for proteins involved in the regulation of cell proliferation and/or mitosis progression. A comparison of the association between Stau1 and these mRNAs in prometaphase-blocked cells with that in asynchronous cells allowed us to notice a preferential association in prometaphase-blocked cells. This suggests a potential increase of the regulation of these mRNAs by Stau1 at that point of the cell cycle. The data presented in this thesis indicate that in all likelihood the post-transcriptional regulation of gene expression controlled by the Staufen proteins happens in part thanks to the modulation of Stau1 and Stau2 expression according to the cellular conditions. We then contemplate that this fluctuation in Staufen proteins expression has consequences on mRNA subsets with which they associate, and that this may mean they have an important role to play in regulating essential physiological processes like DDR and cell cycle progression.