Les travaux décrits dans ce mémoire visent à élucider le rôle de la protéine Pab2 dans la régulation des gènes méiotiques. La méiose est un phénomène conservé à travers l'évolution chez les organismes eucaryotes. Chez les eucaryotes unicellulaires comme la levure, la méiose accomplie [i.e. accomplit] autant un rôle de reproduction sexuelle qu'un rôle de protection de l'organisme. Chez la levure à fission Schizosaccharomyces pombe , le processus de méiose résultant de la reproduction de deux individus génère des spores, des structures résistantes aux conditions environnementales détrimentales. Lorsque la cellule enclenche la méiose, plusieurs centaines de gènes sont temporellement induits pour exprimer des gènes spécifiques aux processus méiotiques. Afin de s'assurer que des gènes méiotiques ne soient pas exprimés pendant la mitose au détriment de la cellule, des mécanismes de surveillance doivent rigoureusement surveiller l'expression de ces gènes. Afin d'éclaircir le rôle de Pab2 dans cette surveillance, nous avons utilisé une approche génétique combinée à des essais biochimiques. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine combinées à des essais de substitution de promoteur ont démontré que la régulation de Pab2 sur les gènes méiotiques est posttranscriptionnelle. De plus, des expériences d'immunoprécipitation de la protéine Pab2 suivies d'analyse d'ARN ont démontré que la protéine Pab2 forme un complexe in vivo avec les ARN qu'elle régule. Des analyses dans le laboratoire ont démontré que Pab2 possède une interaction fonctionnelle et physique avec des composantes de l'exosome. Afin de déterminer l'implication de l'exosome dans la régulation des gènes méiotiques, nous avons utilisé différentes souches de levure [i.e. levures] possédant des délétions dans les gènes des composantes de l'exosome ou des facteurs coopérant avec ce complexe, en présence ou absence de Pab2. Ces expériences ont démontré que l'exosome nucléaire, particulièrement la sous-unité Rrp6, était majoritairement responsable de la dégradation des transcrits méiotiques, et ce sans l'aide de complexes coopérateurs comme le TRAMP. Afin de déterminer le facteur de sélectivité de la régulation par Pab2 et par l'exosome, nous avons utilisé des souches thermosensibles pour la protéine Mmi 1, un autre agent posttranscriptionnel impliqué dans la surveillance de l'expression des gènes méiotiques. Ces expériences ont démontré que Pab2 coopère avec Mmi1 dans la dégradation des transcrits méiotiques. Notamment, l'augmentation de l'expression des gènes méiotiques en absence de Pab2 est suffisante pour contourner la voie dépendante de meiRNA, qui est un ARN non-codant essentiel à l'initiation de la méiose. Ces résultats constituent l'évidence que la protéine Pab2 liant les queues poly(A) participe au maintient du silence de l'expression des gènes méiotiques pendant la mitose.

Les rhabdomyosarcomes embryonnaires et aléolaires (RMS) appartiennent aux tumeurs des tissus mous les plus fréquentes chez les enfants dont elles représentent 2/3 des cas. Plusieurs données suggèrent que la dérégulation des cellules progénitrices du muscle squelettique pourrait jouer un rôle dans l'émergence des cellules de RMS qui ont aussi bien perdu le contrôle de la régulation de la prolifération cellulaire que la capacité à se différencier.Néanmoins les mécanismes de développement des RMS restent à caractériser. La famille des IMPs et notamment IMP-2, protéines liant les ARN, sont à la fois fortement exprimées dans le muscle en régénération in vivo mais aussi dans les cellules de RMS.Au cours de ma thèse, j'ai pu mettre en évidence le rôle d'IMP-2 dans la motilité des cellules de RMS et dans les cellules musculaires ainsi que dans le contrôle de l'intégrité du cytosquelette de microtubules (MTs) et dans le remodelage des adhésions focales. En effet, IMP-2 est impliqué à la fois dans la régulation de l'expression de MuRF-3, une protéine lié àla stabilisation des MTs et de Pinch-2, un important médiateur de l'adhésion cellulaire.

La modification posttranscriptionnelle des acides ribonucléiques (ARNs) est une étape de maturation conservée dans tous les domaines du vivant. Mes travaux de thèse ont porté sur la caractérisation fonctionnelle et structurale de flavoenzymes impliquées dans la modification des ARN de transfert (ARNt) : les dihydrouridines synthases (Dus) dictant la formation de dihydrouridine via la flavine mononucléotide (FMN) et TrmFO responsable de la méthylation en C5 de l'uridine 54 via la flavine adénosine dinucléotide (FAD) ainsi que le methylènetétrahydrofolate. Afin d'élucider le mécanisme de TrmFO, nous avons élaboré une apoenzyme grâce à une simple mutation qui est efficacement reconstituée in vitro. Nous avons chimiquement synthétisé l'intermédiaire catalytique qui consiste en un FAD-iminium comportant un methylène sur le N5 de l'isoalloxazine. Cette espèce synthétique a été caractérisée par spectrométrie de masse et absorption UV-visible. La reconstitution de TrmFO avec cette molécule restore l'activité in vitro sur un ARNt transcrit prouvant le rôle du FAD comme agent méthylant via une méthylation réductrice. Dus2 réduit spécifiquement U20 et est constituée d'un Dus domaine néanmoins, chez les mammifères un double-stranded RNA-binding domaine (dsRBD) est présent. Afin de comprendre la fonction de cette organisation modulaire, nous avons montré que seule l'enzyme sauvage est active contrairement aux domaines isolés. Nous avons résolu les structures cristallographiques des deux domaines suggérant une redistribution des charges positives en surface. Ce dsRBD dicte la reconnaissance de l'ARNt en se fixant à la tige acceptrice/Tpsi. Ceci est régulé par une extension N-terminal, mis en évidence par des mutations, des titrations RMN ainsi qu’une structure cristallographique en complexe avec un ARN de 22 nucléotides. Ce travail illustre l’acquisition d’un dsRBD au cours de l’évolution dont la fonction est étendu à la reconnaissance des ARNts. / Posttranscriptional modification of ribonucleic acids (RNAs) is a crucial maturation step conserved in all domains of life. During my thesis, I have brought structural and functional insights on flavoenzymes involved in transfer RNA (tRNA) modifications: dihydrouridine synthase (Dus) responsible for dihydrouridine formation using flavin mononucleotide (FMN) and TrmFO responsible for C5 methylation of uridine position 54 relying on flavin adenosine dinucleotide (FAD) and methylenetetrahydrofolate. To elucidate the chemical mechanism of TrmFO we designed an apoprotein via a single mutation that could be reconstituted in vitro with FAD. Furthermore, we chemically synthesized the postulated intermediate active species consisting of a flavin iminium harboring a methylene moiety on the isoalloxazine N5 that was further characterized by mass spectrometry and UV-visible spectroscopy. Reconstitution of TrmFO with this molecule restored in vitro activity on a tRNA transcript proving that TrmFO uses FAD as a methylating agent via a reductive methylation.Dus2 reduces U20 and is comprised of a canonical Dus domain however, mammals have an additional double-stranded RNA-binding domain (dsRBD). To bring functional insight for this modular organization, we showed that only full length human Dus2 was active while its isolated domains were not. tRNA recognition is driven by the dsRBD via binding the acceptor and TΨ stem of tRNA with higher affinity then dsRNA as evidenced by NMR. We further solved the X-ray structures for both domains showing redistribution of surface positive charges justifying the involvement of this dsRBD for tRNA recognition in mammalian Dus2. This was attributed to a peculiar N-terminal extension proven by mutational analysis and an X-ray structure of dsRBD in complex with 22-nucleotide dsRNA. Altogether our work illustrates how during evolution, Dus2 enzymes acquired an engineered dsRBD for efficient tRNA binding via a ruler mechanism.

Les rhabdomyosarcomes embryonnaires et aléolaires (RMS) appartiennent aux tumeurs des tissus mous les plus fréquentes chez les enfants dont elles représentent 2/3 des cas. Plusieurs données suggèrent que la dérégulation des cellules progénitrices du muscle squelettique pourrait jouer un rôle dans l'émergence des cellules de RMS qui ont aussi bien perdu le contrôle de la régulation de la prolifération cellulaire que la capacité à se différencier.Néanmoins les mécanismes de développement des RMS restent à caractériser. La famille des IMPs et notamment IMP-2, protéines liant les ARN, sont à la fois fortement exprimées dans le muscle en régénération in vivo mais aussi dans les cellules de RMS.Au cours de ma thèse, j’ai pu mettre en évidence le rôle d’IMP-2 dans la motilité des cellules de RMS et dans les cellules musculaires ainsi que dans le contrôle de l’intégrité du cytosquelette de microtubules (MTs) et dans le remodelage des adhésions focales. En effet, IMP-2 est impliqué à la fois dans la régulation de l’expression de MuRF-3, une protéine lié àla stabilisation des MTs et de Pinch-2, un important médiateur de l’adhésion cellulaire. / The RNA-binding proteins IMPs (IGF-II mRNA binding protein) first discovered in rhabdomyosarcoma cells (RMS) are expressed during embryonic development but their expression is decreased in adult tissues.We showed that IMPs and particularly IMP-2 are strongly expressed in mouse myoblatsts, during early regeneration of skeletal muscle in vivo and in and RMS. IMP-2 loss of function experiments using siRNA have shown that IMP-2 is necessary for microtubules stability(MTs), cell motility and invasion of myoblasts and RMS.Expression of IMP-2 specifically increases MTs stability by an enrichment of detyrosinated tubulin Glu-tubulin. Detyrosination is indispensable for myogenic differentiation and plays substantial role in tumor growth. Additionaly, MTs stabilization play an important role in focal adhesion remodeling, in cytoskeleton integrity, cell adhesion and cell motility.To get new insight into molecular mechanism underlying the function of IMP-2 in MTs stability and cell motility, full ranscriptome analysis was performed between IMP-2 knockdown (KD) myoblasts and control myoblatsts. We have further shown that IMP-2 controls the mRNA levels of many important mediators of cell adhesion such as PINCH-2, as well as multiple cytoskeleton remodeling, such as MuRF-3.We have identified a number of functionally relevant protein partners of IMP-2.Moreover subsequent RNAi screens have revealed the importance of IMP-2 regulated transcripts involved in cell motility and cell adhesion In conclusion, we show that IMP-2 dependent regulation of mRNA such as MuRF3 and PINCH2 largely contributes to the motility –deficient in IMP-2 KD cells. Moreover these results indicate clearly, that further analysis of IMP2 protein partners and RNA targets regulated by IMP-2 will help to characterized the function of IMP-2 and to propose a model of IMP-2 transcriptional regulation of gene expression in myoblasts and RMS cells.

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.