L’avancement des connaissances sur la biologie de l’ARN progresse à un rythme effréné. En effet, les découvertes des dernières années ont confirmé l’importance de l’ARN comme régulateur. Par exemple, de courtes molécules d’ARN, appelées sRNA (small RNA), ont été identifiées comme régulateurs post-transcriptionnels majeurs, capables de moduler l’expression des ARN messagers (ARNm) chez les procaryotes. Généralement, le mode d’action de ces sRNA consiste à s’attacher de manière anti-sens à leurs ARNm cibles, au site de la liaison du ribosome située dans la région 5′ non traduite de l’ARNm. L’inhibition de la traduction par le sRNA conduit, dans la majorité des cas, à la dégradation rapide de l’ARNm. Dans le cadre de mes travaux de recherche, j’ai participé à modéliser, à partir de données biologiques, certains mécanismes de régulation de cibles ARNm. Plus précisément, deux des sRNA, parmi les mieux caractérisés chez E. coli, soient RyhB et Spot42, ont été analysés. Cette étude a montré qu’un sRNA peut réguler ses cibles selon différents régimes (efficace ou modéré) en fonction du mode de régulation priorisé par le sRNA, et ce, indépendamment de son abondance relative. Ces résultats permettront d’améliorer notre compréhension et notre capacité à prédire l’efficacité d’un sRNA à réguler ses cibles ARNm. Par des recherches subséquentes, il m’a été possible de démontrer que l'expression de l’ARNm encodant pour la protéine aconitase B était régulée de manière antagoniste à la fois par le sRNA RyhB et par la protéine aconitase B et ce, dans une condition de carence en fer. Par la suite, j’ai pu mettre en évidence un deuxième mécanisme de régulation similaire pour l’ARNm grxD, encodant pour la glutharédoxine D. Jusqu'à ce jour, le sRNA RyhB démontrait une efficacité infaillible pour dégrader ses ARNm cibles. Les résultats obtenus durant ce projet démontrent sans équivoque une nouvelle voie de protection permettant à l’ARNm d'éviter la dégradation par un petit ARN régulateur. Ce mécanisme de protection de l'ARNm ouvre la porte à un tout nouveau processus cellulaire de régulation post-transcriptionnelle qui s'étend sûrement à un groupe plus important d’ARN.

La traduction est une étape critique de la régulation de l'expression des gènes. Chez l'oursin, la fécondation induit une augmentation de la synthèse protéique, qui dépend essentiellement de la traduction d'ARN messagers maternels. Cette synthèse protéique est indispensable au déroulement des cycles cellulaires du développement précoce. Le développement embryonnaire de l'oursin constitue ainsi un modèle de choix pour étudier la régulation de la traduction. Dans le cadre de cette thèse, le contrôle de la traduction a été étudié chez l'oursin dans deux situations : le contexte physiologique de la fécondation et le contexte de l'induction de l'apoptose. Nous nous sommes interrogés d'abord sur les mécanismes régulateurs impliqués dans la synthèse protéique après fécondation. L'une des étapes limitantes de la traduction est l'initiation. Dans ce cadre, le facteur d'initiation eIF2 joue un rôle clé. eIF2 est responsable de l'apport de la méthionine initiatrice au niveau du ribosome. Lorsque la sous-unité alpha d'eIF2 est phosphorylée, la synthèse protéique globale est inhibée et la traduction sélective de certains ARNm est stimulée. Dans les ovules non fécondés d'oursin, eIF2alpha est physiologiquement phosphorylé et la fécondation provoque sa déphosphorylation. En micro-injectant dans les ovules non fécondés un variant d'eIF2alpha mimant l'état phosphorylé, nous avons montré que la déphosphorylation d'eIF2alpha est nécessaire pour la première division mitotique chez l'oursin. Nous nous sommes intéressés au lien entre la phosphorylation d'eIF2alpha et l'induction de l'apoptose chez l'oursin. En effet, la traduction d'ARNm codant pour des protéines pro- ou anti- apoptotiques influence directement la survie des cellules. L'embryon d'oursin possède la machinerie nécessaire pour le déclenchement de l'apoptose, après induction par l'agent génotoxique MMS. Le traitement au MMS des embryons provoque la phosphorylation d'eIF2alpha. Dans cette situation, nous avons trouvé que la kinase GCN2 est impliquée dans la phosphorylation d'eIF2alpha. En fin, dans le but d'étudier comment la machinerie traductionnelle module le recrutement polysomal, nous avons analysé le traductome en réponse à la fécondation et après le traitement au MMS. Nous avons effectué une approche de séquençage à haut-débit des transcrits purifiés par gradients de polysomes. L'analyse de ces transcrits nous permettra d'appréhender le réseau des gènes régulés au niveau traductionnel lors de la fécondation et de l'induction de l'apoptose dans les embryons d'oursin.

Le contrôle traductionnel est une étape critique de la régulation de l'expression des gènes impliqués dans le développement embryonnaire et de nombreux processus cellulaires. Au cours de l'initiation de la traduction chez les eucaryotes, le facteur eIF4E (eukaryotic Initiation Factor 4E) fixe la coiffe des ARNm et recrute la protéine eIF4G pour former le complexe d'initiation. L' interaction eIF4E/eIF4G est une étape clé de la régulation traductionnelle, faisant du site de liaison à eIF4E un lieu de compétition entre eIF4G, le répresseur général de la traduction 4E-BP et d'autres régulateurs appelés 4E-IPs (4E-interacting partners), qui partagent avec eIF4G un motif consensus de liaison à eIF4E. Longtemps considérée comme une protéine désordonnée, nous avons montré au cours de cette thèse que 4E-BP adopte en réalité une conformation repliée lorsqu'il se lie à eIF4E, impliquant une surface d'interaction plus importante. Ces résultats ont apporté un nouveau regard sur les interactions qui s'établissent entre eIF4E et ses partenaires, et ont fourni des informations cruciales pour l'établissement de nouvelles thérapies, notamment celles développées dans le cadre des cancers. Mon travail de thèse a également permis l'établissement d'un criblage de nouvelles 4E-IPs, basé sur une approche alliant analyses structurales, bioinformatiques et biochimiques. Parmi les 4E-IPs détectées, nous avons caractérisé la protéine Angel1, membre d'une famille de déadénylases. Ces résultats ont ouvert de nombreuses perspectives pour la compréhension du métabolisme des ARNm mais aussi celle des régulations traductionnelles spécifiques prenant pour cible moléculaire eIF4E

Vif (Viral Infectivity Factor) est une protéine auxiliaire qui augmente le «fitness» viral dans l’hôte infecté. Vif est essentielle à la formation de particules virales infectieuses dans les cellules dites «non-permissives», alors que des virus ΔVif se répliquent efficacement dans des lignées cellulaires T dites « permissives ». Les cellules non-permissives expriment les facteurs de restriction APOBEC3G (APOlipoprotein B mRNA-Editing enzyme Catalytic polypeptide 3G ou A3G) et A3F, deux cytidine désaminases dont l’action hypermutatrice est létale pour le virus. Vif réduit de façon considérable le taux d’expression des protéines A3G/3F par deux mécanismes principaux : (1) en recrutant une E3 ubiquitine ligase, Vif induit la dégradation d’A3G par le protéasome et (2) en se fixant sur l’ARNm, Vif régulant négativement la traduction d’A3G par un mécanisme dépendent de la région 5'-UTR. L'objectif de mon projet a été de déterminer le rôle et le mécanisme de la régulation traductionnelle du facteur de restriction A3G par la protéine Vif du VIH-1 ex vivo. En parallèle, nous nous sommes intéressés à déterminer les domaines de la protéine Vif impliqués dans l’activité chaperonne d'ARN. Par l’analyse des « westerns blots » issus de co-transfections de différents vecteurs d’expression d’A3G en présence ou absence de Vif et d’un dominant négative de la Cullin 5, nous avons démontré ex vivo que Vif requiert les tiges boucles 2 et 3 de la région 5’UTR (de façon simultanée) pour inhiber la traduction d’A3G. La régulation traductionnelle d’A3G par Vif cause 50% de la réduction total d’A3G en présence de Vif. Ensuite, nous avons observé qu’une une petite uORF (Upstream Open Reading Frame), contenue entre ces deux tiges-boucles est nécessaire pour l’inhibition d’A3G par Vif. Les uORFs, présents dans 50 % des gènes eucaryotes, interviennent principalement dans des mécanismes de régulation traductionnelle. Ainsi, nous avons observé in vitro et ex vivo que l’uORF régule négativement la traduction de l’ORF majeure d’A3G. Par l’analyse de l’expression de différents mutants de l’uORF, nous avons démontré ex vivo que 60% des complexes d’initiation de la traduction synthétisent A3G par « leaky scanning » et 40 % sont recrutés dans la traduction de l’uORF, en inhibant ainsi l’expression d’A3G. A partir de ces résultats nous proposons un modèle de l’inhibition d’A3G par Vif. Dans ce modèle, Vif pourrais inhiber l’étape de terminaison de la traduction de l’uORF en causant un « stalling » des ribosomes en empêchant ainsi à des nouveaux complexes d’initiation d’attendre l’ORF majeur. Nous avons aussi déterminé l’impact de la régulation traductionnelle d’A3G par Vif sur l’incorporation d’A3G dans les particules virales et sur l’infectivité virale. Nous avons alors observé que l’inhibition traductionnel d’A3G par Vif réduit l’incorporation d’A3G dans les particules virales avec un profil de diminution d’A3G similaire à celui observé dans les cellules. En utilisant des cellules indicatrices TZM-bl, nous avons ensuite observé que l’inhibition traductionnelle d’A3G par Vif augmente l’infectivité virale de 50%. Finalement, nous avons déterminé les domaines de la protéine Vif impliqués dans l’activité chaperonnes d'ARN. En utilisant des essaies de dimérisation des fragments d’ARN du VIH-1, nous avons pu mettre en évidence que le domaine C-terminal de la protéine Vif était impliqué dans cette activité. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre ce phénomène de restriction cellulaire et pourraient être importants dans le développement de nouvelles stratégies d’inhibition de la réplication virale qui ciblerait spécifiquement l’interaction de Vif avec l’ARNm d’A3G. / The HIV-1 viral infectivity factor (Vif) is a small basic protein essential for viral fitness and pathogenicity. Vif allows productive infection of non-permissive cells (including most natural HIV-1 targets) by counteracting cellular cytosine deaminases APOBEC3G (A3G) and A3F by different mechanisms and thus preventing its incorporation into viral particles. The Vif-induced degradation of A3G through the proteasome pathway has been extensively studied, but little is known about the translational repression of A3G mRNA by Vif. After cellular co-transfection of A3G mRNA constructs mutated in their untranslated regions (UTRs) in presence or absence of Vif, and in conditions where the proteasome-induced degradation of A3G was inhibited, we show that the 5’-UTR of A3G mRNA is crucial for the translational inhibition by Vif. The core binding factor, CBF-, required to stabilize the Vif/A3G complex is dispensable for this specific repression. According to our previous secondary structural model of the 5’-UTR, the two distal stem-loop structures are sufficient for a complete translational inhibition of A3G. We show that residue K26 of Vif is critical for A3G neutralization, both for its proteasome-induced degradation and translation inhibition of itsmRNA. Interestingly, we observe a strict correlation between the cellular reduction of A3G through translation inhibition and the quantity of A3G incorporated into viral particles. Both mechanisms account for about 50% decrease of A3G in cell. Thus, we showed for the first time that A3G mRNA translational inhibition by Vif is a 5’-UTR mRNA-dependent mechanism, and that any of these two mechanisms, degradation or translation, is sufficient to restore viral infectivity. Regulating the translation of A3G could thus be considered as a new target to restore a functional expression of A3G and viral restriction.

La synthèse protéique est une étape importante de la régulation de l'expression des gènes. Dans beaucoup d'espèces animales, les premières étapes du développement embryonnaire sont majoritairement ou exclusivement basées sur l'utilisation des messagers maternels stockés dans l'ovocyte. L'embryon d'oursin est un modèle avantageux pour l'étude du contrôle traductionnel de l'expression des gènes lors du développement précoce. La fécondation provoque l'activation de la machinerie traductionnelle conduisant à une augmentation de synthèse protéique nécessaire à la reprise des cycles mitotiques et au départ du développement embryonnaire. Les modifications touchant la machinerie traductionnelle qui ont lieu à la fécondation sont à l'origine du recrutement polysomal des messagers stockés. Ainsi, l'ensemble des ARNm maternels est-il globalement traduit, ou existe-t-il une sélection des ARNm qui vont être traduits précocement ? Et s'il y en a, quels sont les modes de sélection ? Au cours de ce travail de thèse, nous avons obtenu le répertoire complet des ARNm traductionnellement régulés à la fécondation, et montré que seule une sous-partie du stock de messager est traduite en réponse à la fécondation, avec un enrichissement de messagers codant pour des protéines régulatrices. Enfin, de manière originale, ce travail a permis la mise en évidence de la diversité et de la complexité des voies de signalisation en amont de la régulation traductionnelle, qui concourent à la sélectivité de la traduction. / Protein synthesis is a crucial step for gene expression regulation. In many animal species, the early steps of development are based on translation of stored maternal mRNAs. Sea urchin embryo is a powerful model to study translational control during early development. Fertilization triggers the activation of translational machinery, leading to the increase of protein synthesis which is necessary to cell cycle entry and early embryonic development. Translational machinery modifications are responsible for the polysomal recruitment of the stored maternal mRNAs. Thus, are all the stored maternal mRNAs translated, or is there any selection of the translated mRNAs? If so, what are the mechanisms driving this selectivity? Over this work, we obtained the entire subset of the translationally regulated mRNAs, and demonstrated that only a part of the stored maternal mRNAs is actively translated at sea urchin fertilization, with an important enrichment of mRNAs coding for regulatory proteins. Finally, this work highlighted the diversity and the complexity of the signaling network upstream the selective polysomal recruitment.

Les cellules cancéreuses produisent une grande quantité de ribosomes afin de synthétiser les protéines nécessaires à leur prolifération rapide. Les mécanismes qui conduisent à cette augmentation de la production de ribosome ne sont que partiellement compris, mais ils semblent intimement liés à l'acquisition du phénotype tumoral. De plus, une nouvelle théorie propose que les ribosomes ne sont pas des effecteurs neutres de la traduction, mais qu'ils jouent un rôle direct dans la régulation de l'expression génique. Cette théorie se base sur l'observation que la composition des ribosomes est hétérogène en fonction des types cellulaires et des conditions environnementales. Dans ce contexte, j'ai étudié les liens entre les altérations des signaux qui contrôlent la biogenèse des ribosomes, tant au niveau quantitatif que qualitatif, et le développement du phénotype tumoral. Ce manuscrit rapporte trois études effectuées au cours de mon travail de thèse. Ces études ont permis d'identifier : i) un nouveau régulateur de la quantité de ribosomes, la LN-Nétrine-1 et ii) des modifications de la composition et de la fonction des ribosomes induites par des altérations génétiques (perte d'activité de p53) et par l'utilisation d'une molécule chimiothérapeutique, le 5- Fluorouracile. Ces perturbations de la quantité et de la fonction des ribosomes modifient le contrôle de la traduction des cellules et la croissance, la prolifération et la survie cellulaire. Il ressort de ces résultats que les ribosomes sont des éléments qui participent au contrôle de l'expression génique et qui jouent un rôle dans la pathologie cancéreuse et la réponse au traitement chimiothérapeutique / Cancer cells produce large amounts of ribosomes to synthesize the proteins required for their rapid proliferation. The mechanisms leading to this increase in ribosome production are only partly understood, but they are related to the acquisition of the tumor phenotype. In addition, a new theory proposes that ribosomes are not neutral effectors of translation, but have a direct role in the regulation of gene expression. This theory is based on the observation that ribosome composition is heterogeneous in different cell types and according to environmental conditions. In this context, I have analyzed the relationships between changes in signals that control ribosome biogenesis, both quantitatively and qualitatively, and the development of the tumor phenotype. This manuscript reports three studies made during this PhD program. These studies identified: i) a novel regulator of the amount of ribosomes, the LN-Netrin-1 and ii) changes in the ribosome composition and function induced by genetic alterations (loss of activity of p53) and by the use of a chemotherapeutic molecule, the 5-Fluorouracil. These perturbations of the amount and the function of ribosomes modify the translation control and cell growth, cell proliferation and cell survival. From these results it can be conclude that ribosomes are elements involved in the regulation of gene expression and play a role in cancer pathology and response to chemotherapy

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La biogenèse des ribosomes est un processus complexe finement régulé pour s’adapter à la disponibilité en nutriments et en facteurs de croissance ainsi qu’à la présence éventuelle de stress. Une étape clé de la régulation de la biogenèse des ribosomes se fait par la régulation de la traduction des ARNm 5’ Terminal OligoPyrimidine (5’TOP) qui codent pour les protéines ribosomiques. Bien que la voie de signalisation mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) ait été identifiée depuis des décennies comme activatrice de cette traduction des ARNm 5’TOP, les régulateurs impliqués ainsi que leur contrôle par la voie mTOR n’ont jamais été identifiés avec précision. Dans ce travail, nous avons montré que La-related protein 1 (Larp1), une protéine de liaison à l’ARN cible de mTOR, est indispensable à l’inhibition de la traduction des ARNm 5’TOP en aval de mTOR. De plus, Larp1 semble participer à l’inhibition de la formation du complexe d’initiation de la traduction eIF4F, qui est responsable du recrutement du complexe de pré-initiation 43S sur la coiffe m7G présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm. Nous avons également démontré que Larp1 peut se lier à la protéine Poly(A)-Binding Protein (PABP) et à la protéine de la petite sous-unité ribosomique RPS6 et que cette dernière interaction diminue lorsque les sites de phosphorylation de Larp1 dépendants de mTOR Ser 689 et 697 sont mutés en alanine. Ces résultats représentent une avancée importante dans la compréhension de la régulation de la traduction des ARNm 5’TOP par la voie mTOR. Cependant, des études complémentaires sont nécessaires afin de comprendre plus en détail le mécanisme exact par lequel Larp1 réprime la traduction des ARNm 5’TOP. / Ribosome biogenesis is a process that is finely tuned to adapt to nutrients and growth factors availability as well as to cellular stress and insults. Ribosomal proteins, the protein component of ribosomes, are encoded by 5’ Terminal Oligopyrimidine (5’TOP) mRNAs. A key step in ribosome biogenesis is the up-regulation of the translation of 5’TOP mRNAs. Although the mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) pathway have been known for decades to promote 5’TOP mRNAs translation, the regulators involved and their control by the mTOR pathway remains obscure. In this work we demonstrated that La-related protein 1 (Larp1), an RNA-binding protein and substrate of mTOR, is necessary for the inhibition of 5’TOP mRNAs translation downstream of mTOR. In particular Larp1 seems to interfere with the formation of the translation initiation complex eIF4F, which is responsible for the recruitment of the 43S preinitiation complex to the m7G cap present at the 5’ end of mRNAs. Furthermore we found that Larp1 interacts with the protein Poly(A)-Binding Protein (PABP) and with the small ribosomal subunit protein RPS6 and that the latter interaction is decreased by mutation to alanine of the mTOR-dependent phosphorylation sites Ser 689 and 697. These findings are an important contribution to the understanding of the regulation of the translation of 5’TOP mRNAs by the mTOR pathway. Nevertheless more studies will be needed in order to dissect the mechanism by which Larp1 represses translation of 5’TOP mRNAs.

La biogenèse des ribosomes est un processus complexe finement régulé pour s’adapter à la disponibilité en nutriments et en facteurs de croissance ainsi qu’à la présence éventuelle de stress. Une étape clé de la régulation de la biogenèse des ribosomes se fait par la régulation de la traduction des ARNm 5’ Terminal OligoPyrimidine (5’TOP) qui codent pour les protéines ribosomiques. Bien que la voie de signalisation mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) ait été identifiée depuis des décennies comme activatrice de cette traduction des ARNm 5’TOP, les régulateurs impliqués ainsi que leur contrôle par la voie mTOR n’ont jamais été identifiés avec précision. Dans ce travail, nous avons montré que La-related protein 1 (Larp1), une protéine de liaison à l’ARN cible de mTOR, est indispensable à l’inhibition de la traduction des ARNm 5’TOP en aval de mTOR. De plus, Larp1 semble participer à l’inhibition de la formation du complexe d’initiation de la traduction eIF4F, qui est responsable du recrutement du complexe de pré-initiation 43S sur la coiffe m7G présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm. Nous avons également démontré que Larp1 peut se lier à la protéine Poly(A)-Binding Protein (PABP) et à la protéine de la petite sous-unité ribosomique RPS6 et que cette dernière interaction diminue lorsque les sites de phosphorylation de Larp1 dépendants de mTOR Ser 689 et 697 sont mutés en alanine. Ces résultats représentent une avancée importante dans la compréhension de la régulation de la traduction des ARNm 5’TOP par la voie mTOR. Cependant, des études complémentaires sont nécessaires afin de comprendre plus en détail le mécanisme exact par lequel Larp1 réprime la traduction des ARNm 5’TOP. / Ribosome biogenesis is a process that is finely tuned to adapt to nutrients and growth factors availability as well as to cellular stress and insults. Ribosomal proteins, the protein component of ribosomes, are encoded by 5’ Terminal Oligopyrimidine (5’TOP) mRNAs. A key step in ribosome biogenesis is the up-regulation of the translation of 5’TOP mRNAs. Although the mechanistic Target of Rapamycin (mTOR) pathway have been known for decades to promote 5’TOP mRNAs translation, the regulators involved and their control by the mTOR pathway remains obscure. In this work we demonstrated that La-related protein 1 (Larp1), an RNA-binding protein and substrate of mTOR, is necessary for the inhibition of 5’TOP mRNAs translation downstream of mTOR. In particular Larp1 seems to interfere with the formation of the translation initiation complex eIF4F, which is responsible for the recruitment of the 43S preinitiation complex to the m7G cap present at the 5’ end of mRNAs. Furthermore we found that Larp1 interacts with the protein Poly(A)-Binding Protein (PABP) and with the small ribosomal subunit protein RPS6 and that the latter interaction is decreased by mutation to alanine of the mTOR-dependent phosphorylation sites Ser 689 and 697. These findings are an important contribution to the understanding of the regulation of the translation of 5’TOP mRNAs by the mTOR pathway. Nevertheless more studies will be needed in order to dissect the mechanism by which Larp1 represses translation of 5’TOP mRNAs.