Nicht-codierende RNAs sind ein bedeutender Bestandteil genregulatorischer Prozesse. Ihre Fehlregulierung wird mit zellulärer Dysfunktion und der Entstehung von Krankheiten in Zusammenhang gebracht. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung verschiedener Testsysteme zur Untersuchung nicht codierender RNAs mit dem Schwerpunkt microRNA (miRNA), precursor miRNA (pre-miRNA) und circular RNA (circRNA). Für eine Zyklisierung und Funktionalisierung von circRNA mittels Cu-katalysierter Click-Chemie zur Identifizierung zellulärer Interaktionspartner und zugehöriger Wirkmechanismen wurden die Termini linearer RNA-Template modifiziert. Mit Hilfe enzymatischer Techniken wie Transkription und Ligation konnte in vitro die Inkorporation Azid- und Alkin-funktionalisierter Nukleotid-Bausteine am 5‘- und 3‘-Terminus gezeigt werden. Zur Untersuchung der miRNA-Reifung in cellulo wurde die pre-miRNA-134 unter Verwendung chemo-enzymatischer Methoden mit einem Fluorophor/Quencher-Paar an den Termini ausgestattet. Durch intrazelluläre Reifung der gelabelten pre-miRNA mit einhergehender Fluoreszenzfreisetzung sollte die Visualisierung und damit die Lokalisierung des miRNA-Reifungsortes innerhalb von Neuronen realisiert werden. Zudem gelang die Entwicklung eines auf branched rolling-circle amplification (BRCA) basierenden Argonaute2(Ago2)-vermittelten Spaltungsassays. Ein Enzymkomplex aus rekombinantem, humanem Ago2 und der miRNA miR 122, genannt minimal RISC, wurde dabei zur Substrat-Spaltung eingesetzt. Zur Etablierung des BRCA-basierenden Ago2-vermittelten Spaltungsassays als Screening-Tool für die Identifizierung potentieller Inhibitoren der mRNA-Spaltung wurden exemplarisch sechs Testsubstanzen aus der Gruppe der Aminoglykoside untersucht. Der BRCA-basierende Ago2-vermittelte Spaltungsassay stellte eine einfache und zuverlässige Detektionsmethode dar, der die Untersuchung einer größeren Probenzahl mit geringem Aufwand und ohne Verwendung von fluorogen gelabeltem Substrat ermöglichte. / Non-coding RNAs are an important factor in gene regulation in which their deregulation is associated with cellular dysfunction and disease. Here, the development of different test systems for the investigation of non-coding RNAs, namely microRNA (miRNA), precursor miRNA (pre-miRNA), and circular RNA (circRNA), was on focus. In order to circularize and functionalize circRNA with the purpose of identifying cellular interaction partners and possible mechanisms of action, 5‘- and 3‘-terminal modifications were added to a linear RNA template. This was accomplished by using azide- and alkyne-functionalized nucleotides which were incorporated by enzymatic approaches like transcription and ligation to be followed by Cu-catalyzed click chemistry for circularization. For investigating miRNA maturation in neuronal cells, pre-miR-134 was modified by chemo-enzymatic approach with fluorophore and quencher at its 5‘ and 3‘ ends, respectively. Intracellular maturation of labeled pre-miRNA would produce a fluorescent signal upon cleavage, thus enabling visualization and localization of miRNA maturation in neuronal cells. Furthermore, the development of Ago2-mediated mRNA cleavage assay based on branched rolling-circle amplification (BRCA) was accomplished. A complex of recombinant human Ago2 and miRNA miR-122, called minimal RISC, was used for substrate cleavage. To establish this assay as adequate screening method for identifying potential inhibitors of mRNA cleavage, a group of six aminoglycosides was tested. The BRCA-based Ago2-mediated cleavage assay showed to be a simple and reliable detection method and screening tool for small molecule binders with little effort and without fluorescent labeling of substrate.

Micro RNA sind nicht-kodierende dsRNA ~22 Nukleotiden lang, die eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Regulation in beinahe allen Eukaryoten spielen. MiRNAs binden target mRNA, was zu einer Blockierung der Proteintranslation führt. Viele Krankheiten sind bekannt, die durch veränderte miRNA Expressionsmuster entweder beeinflusst oder verursacht werden. Demnach könnte eine Manipulation der miRNA-Bildung einen therapeutischen Ansatz darstellen. MiRNA werden im Zytoplasma von längeren haarnadelförmigen prekursor RNA (pre-miRNA) durch das Enzym Dicer freigsetzt. Inhibition dieser Spaltung könnte durch spezifische pre-miRNA-bindende Moleküle erfolgen. Selektive Binder der pre-miRNA als Inhibitoren der miRNA-Reifung können durch testen von Substanzbibliotheken mit Hochdurchsatzscreening (HTS) gefunden werden. Diese Arbeit beschreibt den ersten homogenen Assay der miRNA-Reifung. Eine Fluoreszenzsonde in Form einer pre-miRNA wurde benutzt, die einen 5´-Fluorophor (FAM, Cy3, oder TMR) und einen 3´-Quencher (DABCYL) aufweist. Durch die nahe Nachbarschaft von Fluorophor und Quencher in der nativen Haarnadelstruktur erfolgt Fluoreszenzlöschung. Dicer spaltet diese Struktur effizient, was zur Dissoziation von Fluorophor und Quencher und somit zu einem Fluoreszenzanstieg führt. Der Assay wurde für HTS optimiert. Die ersten Verbindungen wurden auf deren Inhibition der miRNA-Reifung getestet. Mit einem Duplexassay, wobei zwei unterschiedliche pre-miRNA Sonden mit verschiedenen Fluorophoren eingesetzt wurden, konnte etwas spezifische Inhibition gezeigt werden. Der Assay wurde in Zellen durchgeführt und der Fluoreszenzanstieg mit Fluoreszenzmikroskopie detektiert. Somit ist ein Zell-basiertes Screening von Inhibitoren möglich. Eine einfachere Synthese der Sonde mittels in vitro Transkription und anschließender enzymatischen Ligation wurde entwickelt. Verwendung des Assays um hoch selective Inhibitoren der miRNA-Reifung zu entdecken könnte zu therapeutischen Ansätzen führen. / Micro RNAs (miRNAs) are non-coding dsRNAs of ~22 nucleotides that play a vital role in development and regulation in nearly all eukaryotes. MiRNAs bind target mRNA, thus blocking protein translation. Many diseases have been found to be influenced or caused by aberrant expression of miRNAs. A manipulation of miRNA formation may have therapeutic potential. MiRNAs are cleaved from longer hairpin precursor RNA (pre-miRNA) in the cytoplasm by the enzyme Dicer. It might be possible to inhibit this cleavage through specific pre-miRNA binding molecules. Selective binders of pre-miRNA as inhibitors of miRNA maturation can be found by testing large libraries of substances through high throughput screening (HTS) using an appropriate assay. This work describes the first homogenous assay of miRNA maturation. A fluorescent probe in the form of a pre-miRNA containing a 5´-fluorophore (FAM, Cy3, or TMR) and a 3´-quencher (DABCYL) was used. This ‘beacon’ in its native hairpin formation brings the fluorophore and quencher moieties into close proximity, resulting in fluorescence quenching. Dicer efficiently cleaves this structure, leading to dissociation of fluorophore and quencher and thus a fluorescence increase. In the presence of an RNA ligand that blocks cleavage, a lower fluorescence increase is seen. The assay was optimized for HTS. The first compounds were tested for their inhibition of miRNA maturation. Using a duplex assay, with two different pre-miRNA probes each containing a different fluorogenic group, some specific inhibition was shown. The assay was performed in cells using fluorescence microscopy to measure the fluorescence. This would allow for a cell-based screening of inhibitors. A simpler approach of beacon synthesis using in vitro transcription followed by enzymatic ligation was also established. Use of this assay to discover highly selective inhibitors of miRNA maturation may lead to disease therapeutics.

La famille des microARN (miARN) let-7 comprend treize membres qui jouent des rôles critiques dans de nombreux processus biologiques, notamment la différenciation et le développement cellulaires. Plus spécifiquement, ils fonctionnent comme des suppresseurs de tumeurs en ciblant plusieurs oncogènes. La dérégulation des niveaux de miARN let-7 a été associée à diverses maladies humaines, y compris des cancers et des troubles neurodégénératifs. Il est bien établi que Drosha et Dicer, appartenant à la famille des RNases III, sont deux enzymes clés de la voie de maturation des miARN, et qu'un traitement défectueux par ces endoribonucléases pourrait affecter l'expression des gènes. Au cours des dix dernières années, plusieurs recherches ont permis d'identifier les caractéristiques structurales de l'ARN et les protéines qui régulent la voie de maturation des miARN. Cependant, les détails moléculaires menant à la régulation des niveaux d’expression des miARN nécessitent des investigations supplémentaires. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'activité de clivage in vitro des endoribonucléases Drosha et Dicer envers leurs substrats let-7, en se concentrant sur la façon dont diverses caractéristiques de séquence et de structure affectent leurs activités. Tout d'abord, un criblage structural de type SHAPE suivi d'investigations thermodynamiques et cinétiques détaillées pour les treize pré-miARN de la famille let-7 ont été réalisés avec une enzyme Dicer purifiée in vitro. Cette étude a révélé que malgré les différences structurales des membres de la famille let-7, Dicer ne discrimine pas entre ses substrats, y compris les pré-miARN avec une extension de 1-nt et 2-nt à leur extrémité 3'. L'ensemble de ces travaux met en évidence la remarquable promiscuité de Dicer vis-à-vis divers pré-miARN de la famille let-7. Deuxièmement, le mécanisme enzymatique du clivage du pré-let-7a-1 a été examiné. Les résultats de la cinétique de l'état stable, de l'état pré-stable et de l'impulsion-chase sont conformes à l'opinion dominante, soutenue par de récentes structures de cryo-EM, selon laquelle le ou les changements de conformation d'un complexe enzyme-substrat dans une conformation catalytiquement productive sont importants pour l'activité de clivage. Troisièmement, nous avons étudié la séquence et les déterminants structuraux du clivage du pri-let-7 par le complexe microprocesseur (MP) composé de Drosha et de son partenaire obligatoire DGCR8. Sur la base d'études de clivage de plusieurs substrats pri-let-7 avec un complexe MP reconstitué in vitro, il a été constaté que le clivage du pri-let-7g donne des produits multiples. En utilisant des variantes de pri-let-7g, il a été révélé qu'un élément structural conservé de pri-let-7g favorise un clivage improductif, peut-être en raison du clivage de son substrat par la MP dans l'orientation inverse. Cette étude fournit un cadre pour des investigations futures dans l'étude du clivage de pri-let-7g par Drosha et éventuellement l'identification de nouveaux mécanismes de régulation. Dans l'ensemble, nos résultats donnent un aperçu de la façon dont les caractéristiques structurales des pri-miARN et des pré-miARN de la famille let-7 modulent le traitement par Drosha et Dicer et ouvrent la voie à de futures études visant à examiner le rôle des facteurs protéiques dans la régulation de la maturation des miARN let-7. / The let-7 family of microRNAs (miRNAs) comprises of thirteen members that play critical roles in many biological processes, including cell differentiation and development. More specifically, they function as tumor suppressors by targeting several oncogenes. Deregulation in let-7 miRNA levels has been associated with various human diseases, including cancers and neurodegenerative disorders. It is well established that Drosha and Dicer are the two key enzymes of the miRNA maturation pathway, and that faulty processing by these endoribonucleases could affect gene silencing. Thus, it is crucial to better understand how Drosha and Dicer respectively process the primary miRNAs (pri-miRNAs) and precursor miRNAs (pre-miRNAs) to yield mature miRNAs, and how these enzymes are regulated. In the last decade of miRNA research, several investigations have identified RNA structural features and RNA-binding proteins that regulate the miRNA maturation pathway, adding another layer of regulation in this pathway. However, the molecular detail of this regulation requires further investigations. The main goal of this thesis is to investigate the in vitro processing activity of Drosha and Dicer toward their let-7 substrates, focusing on how diverse sequence and structural features affect their activities. First, SHAPE structural probing followed by detailed thermodynamic and kinetic investigations for all thirteen pre-miRNAs of the let-7 family were performed with in vitro purified Dicer. Surprisingly, this study revealed that despite structural differences in the pre-let-7 members, Dicer does not discriminate between these substrates, including pre-miRNAs with a 1 nt and a 2-nt overhang at their 3'-end. Additional binding and cleavage investigations of pre let-7 substrates carrying 3'-end modifications (mono- and oligo-uridylation, mono- and oligo-adenylation) were performed to clarify how these modifications affect Dicer binding and cleavage activities. Together, this work highlights the remarkable substrate promiscuity of Dicer toward diverse pre-miRNAs of the let-7 family. Second, the enzymatic mechanism of pre-let-7 cleavage by Dicer was examined using pre-let-7a-1 as a model substrate. The results from the steady-state, pre-steady state and pulse-chase kinetics are consistent with the prevailing view, supported by recent cryo-EM structures, that the conformational change(s) of an enzyme-substrate complex into a catalytically productive conformation are important for cleavage activity. Third, the sequence and structural determinants of pri-let-7 processing by the Microprocessor (MP) complex composed of Drosha and its obligatory partner DGCR8 were investigated. Based on cleavage studies of several pri-let-7 substrates with an in vitro reconstituted MP complex, it was found that cleavage of pri-let-7g yields multiple products. Using pri-let-7g variants, it was revealed that a conserved structural element of pri-let-7g promotes unproductive cleavage, possibly as a result of the MP cleaving its substrate in the reverse orientation. This study provides the framework for future investigations in studying pri-let-7g processing by Drosha and possibly identifying novel mechanisms of regulation. Overall, our findings provide insights on how the structural features of pri-miRNAs and pre-miRNAs of the let-7 family modulate processing by Drosha and Dicer and pave the way for future studies aimed at examining the role of protein factors in regulating the maturation of let-7 miRNAs.

L'α-synucléine est reconnue comme une protéine clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson ainsi que d'autres troubles neurodégénératifs appelés synucléinopathies. Dans ces maladies, la surexpression de l’α-synucléine entraîne la formation d'agrégats toxiques dans les neurones dopaminergiques (DA). Dans cette thèse, nous avons exploré l’effet de la régulation de microARN (miARN) sur l’expression de l’α-synucléine. Pour se faire, des études ont été menées avec la lignée cellulaire humaine SH-SY5Y qui peut être différenciée pour créer un modèle de neurones DA et ensuite traitée avec une neurotoxine pour induire des caractéristiques cellulaires de la maladie de Parkinson. Des observations importantes ont été supportées dans des modèles cellulaires plus avancés, notamment les neurones induits par reprogrammation directe de fibroblastes humains (iNs) et les neurones DA primaires de souris purifiés. Le premier objectif était de mieux comprendre comment la surexpression aberrante de l'α synucléine dans les synucléinopathies pourrait être due à une dérégulation de la maturation des miARN qui ciblent son ARN messager. Tout d’abord, nous avons sélectionné les miARN les plus susceptibles d'avoir un effet régulateur sur l’expression de l’α-synucléine à partir de recherche de la littérature et d’analyse de bases de données spécialisées. Nous avons observé que l’augmentation de l'expression de l'α-synucléine associée à l’ajout de neurotoxine est accompagnée d’une diminution concomitante de l'expression de plusieurs miARN sélectionnés. Sur la base de ces résultats, l'impact de ces miARN sur l'expression de l'α-synucléine a été évalué dans plusieurs types de cellules humaines, notamment les HEK 293T, les SH-SY5Y différenciées et les iNs. À cette fin, nous avons utilisé des cibles de miARN exogènes pour réprimer l'activité régulatrice des miARN et avons mesuré leur effet sur l'expression de l'α synucléine. Ainsi, nous avons démontré que la répression de miR-7, miR-93, miR-140, miR 153 et miR 214 mène systématiquement à la surexpression de l’α-synucléine dans les différents types de cellules. De plus, nous avons démontré que certains miARN sont régulés de manière post-transcriptionnelle en mesurant les niveaux des formes immatures et matures des miARN dans différents contextes cellulaires. Le deuxième objectif était d’identifier des protéines potentiellement aptes à réguler la maturation post-transcriptionnelle de miARN. Des études de purification par affinité et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier les protéines qui s’associent avec la tige-boucle des formes immatures des miARN et régulent potentiellement leur maturation. Quelques protéines candidates ont été sélectionnées sur la base d’analyse informatique pour examiner l’effet de leur surexpression dans différents essais cellulaires. À ce jour, nous avons identifié quatre protéines (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) qui, en plus de répondre à certains critères de bases (lient l’ARN, sont présentes dans le cerveau et impliquées dans des maladies associées au système nerveux), ont un effet sur l’activité et l’expression de miR-153 ainsi que sur l’expression de l’α-synucléine. Ces travaux ont permis d’établir de solides bases dans notre compréhension de la régulation de l'α-synucléine par les miARN et d’ouvrir la voie à des études plus élaborées qui permettront d’établir les mécanismes de régulation des niveaux de miARN qui ciblent l’α-synucléine. À plus long terme, cet axe de recherche pourrait fournir des pistes pour le développement d'outils diagnostiques et thérapeutiques pour les synucléinopathies. / Alpha-synuclein is a key protein in the pathophysiology of Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders called synucleinopathies. In these diseases, overexpression of α-synuclein leads to the formation of toxic aggregates in dopaminergic (DA) neurons. In this thesis, we explored the effect of microRNA (miRNA) regulation on α-synuclein expression. To do so, studies were conducted with the human SH-SY5Y cell line, which can be differentiated to create a model of DA neurons and then treated with a neurotoxin to induce cellular features of Parkinson's disease. Important observations were supported in more advanced cell models, including neurons induced by direct reprogramming of human fibroblasts (iNs) and purified primary mouse DA neurons. The first objective was to better understand how aberrant overexpression of α-synuclein in synucleinopathies results in the deregulation of the maturation of miRNAs that target its messenger RNA. First, we selected the miRNAs most likely to have a regulatory effect on α-synuclein expression based on literature searches and specialized database analyses. We observed that the increase in α-synuclein expression associated with neurotoxin addition is accompanied by a concomitant decrease in the expression level of several selected miRNAs. Based on these results, the impact of these miRNAs on αsynuclein expression was evaluated in several human cell types, including HEK 293T, differentiated SHSY5Y, and iNs. To this end, we used exogenous miRNA targets to repress miRNA regulatory activity and measured their effect on α-synuclein expression. Thus, we demonstrated that repression of miR-7, miR-93, miR-140, miR-153, and miR-214 consistently leads to overexpression of α-synuclein in different cell types. In addition, we demonstrated that some miRNAs are regulated in a posttranscriptional manner by measuring the levels of immature and mature forms of miRNAs in different cellular contexts. The second objective was to identify proteins potentially able to regulate the post-transcriptional maturation of miRNAs. Affinity purification and mass spectrometry studies were used to identify proteins that associate with the stem-loop of immature forms of miRNAs and potentially regulate their maturation. A few candidate proteins were selected based on computational analysis to examine the effect of their overexpression in different cell-based assays. To date, we have identified four proteins (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) that, in addition, to fitting basic criteria (known to bind RNA, are present in the brain and associated with nervous system-related diseases) affect miR-153 activity and expression as well as α-synuclein expression. This work has established a solid foundation in our understanding of the regulation of α-synuclein by miRNAs and has paved the way for more elaborate studies that will establish the mechanisms of regulation of miRNA levels that target α-synuclein. In the longer term, this line of research could provide avenues for the development of diagnostic and therapeutic tools for synucleinopathies.