Attempts have been made to treat nonsense-associated genetic disorders by chemical agents and hence an improved mechanistic insight into the decoding of readthrough signals is essential for the identification and characterisation of factors for the treatment of these disorders. To identify either novel compounds or genes that modulate translation readthrough, we have employed dual reporter-based high-throughput screens that use enzymatic and fluorescence activities and screened bio-active NINDS compounds (n = 1000) and siRNA (n = 288) libraries. Whilst siRNAs targeting kinases such as CSNK1G3 and NME3 negatively regulate readthrough, neither the bio-active NINDS compounds nor PTC124 promote readthrough. Of note, PTC124 has previously been shown to promote readthrough. Furthermore, the impacts of G418 on the components of eukaryotic selenocysteine incorporation machinery have also been investigated. The selenocysteine machinery decodes the stop codon UGA specifying selenocysteine in natural selenoprotein genes. We have found that the eukaryotic SelC gene promotes the selenocysteine insertion sequence (SECIS)-mediated readthrough but inhibits the readthrough activity induced by G418. We have previously reported that SECIS-mediated readthrough at UGA codons follows a non-processive mechanism. Here, we show that G418-mediated promotion of readthrough also occurs through a non-processive mechanism which competes with translation termination. Based on our observations, we suggest that proteins generated through a non-processive mechanism may be therapeutically beneficial for the resolution of nonsense-associated genetic disorders. / Fellowship (awarded to MTN) from the Department of Health via the NIHR Comprehensive Biomedical Research Centre award to Guy’s & St Thomas’ NHS Foundation Trust in partnership with King’s College London, Heptagon Life Science Proof of Concept Fund (grant KCL24 to MTN), the Great Britain Sasakawa 22 Foundation (grant B70 to MTN), the Royal Society (grant 43049 to MTN) and the University of Bradford (grants 003200 and DH005 to MTN).

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Translation represents a highly regulated, interconnected process of protein synthesis in the cell. It could be divided into 4 phases: initiation, elongation, termination, and ribosomal recycling. Our laboratory is involved in in-depth studies of a complex eukaryotic initiation factor 3 protein (eIF3). We are interested not only in revealing its molecular roles in the translational cycle in general but also in specific mechanisms that allow translational regulation according to specific cellular needs. In the budding yeast, the eIF3 is composed of five essential subunits (a/Tif32, b/Prt1, c/Nip1, g/Tif35 and i/Tif34). In mammals, the protein is even more complex, comprising of 12 subunits (a-i, k-m). eIF3 is a key player not only in translation initiation but also in ribosomal recycling and, surprisingly, in translation termination and stop codon readthrough as well. The latter process harbors important clinical potential, as approximately 1/3 of genetically inherited diseases is caused by the presence of a premature termination codon in the protein-coding region. Therefore, understanding the molecular mechanism underlying this phenomenon provides important tools for the targeted and less toxic drug development approaches needed for patient therapy. In this Ph.D. Thesis, I uncovered the role of...

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Für das Rett Syndrom, eine der häufigsten genetischen Ursachen für mentale Retardie-rung bei Frauen, gibt es bisher keine kausale Therapie, obwohl gentherapeutische Studi-en mit konditionellen knockout Mäusen gezeigt haben, dass es sich um eine therapierbare Erkrankung handelt. Um neue Therapien entwickeln zu können, werden Mausmodelle benötigt, die auf den beim Menschen am häufigsten gefundenen Mutation beruhen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mausmodell mit der häufigsten humanen Nonsense-Mutation R168X im Mecp2 Gen charakterisiert. Mit Hilfe dieses Mausmodells wurden dann die Therapieansätze der „Stop-Codon Readthrough-Therapie“ und einer Knochenmarktransplantation auf ihre Wirksamkeit in vitro und in vivo untersucht. Die Charakterisierung der Mauslinie zeigte, dass männliche MeCP2R168X-Mäuse im Gegensatz zu anderen MeCP2-Mausmodellen kein verkürztes MeCP2 Protein exprimieren. Desweiteren weisen männliche MeCP2R168X-Mäuse einen Phänotyp, inklu-sive der drastisch verkürzten Lebenspanne, auf, wie er bei bereits etablierten Mausmo-dellen für das Rett Syndrom beschrieben wurde. Dagegen zeigten weibliche, heterozy-gote MeCP2R168X-Mäuse nur einen sehr mild ausgeprägten Phänotyp verglichen mit bereits etablierten MeCP2-Mauslinien. Für die „Stop-Codon Readthrough-Therapie“ wurde die Effizienz der Aminoglykoside Geniticin, Gentamicin und Neomycin, der Komponenten NB54, NB84 und NB124, sowie der niedermolekularen Substanz PTC124 auf ihre Wirksamkeit bei der Induktion eines Readthroughs mit transfizierten HeLa-Zellen und MeCP2R168X/y-Mausohrfibroblasten in vitro untersucht. Dabei zeigte sich eine deutliche Steigerung der Readthrough-Effizienz der NB-Komponenten, gemessen an der detektierbaren Menge an MeCP2, mit zunehmender Generation (NB54 --> NB84 --> NB124) und gegenüber dem klinisch angewandten Gentamicin. Während die Behandlung mit Neomycin zu einem minimalen Readthrough-Produkt führte, zeigte die Behandlung mit PTC124 kei-nen messbaren Readthrough. Anschließend wurden männliche MeCP2R168X-Mäuse mit den in vitro getesteten Sub-stanzen, mit Ausnahme von Geniticin, behandelt. Die Expression eines MeCP2-Proteins voller Länge konnte durch keine der applizierten Substanzen induziert werden. Auch bei Behandlungen über einen längeren Zeitraum mit hohen Dosierungen, im Fall von Gentamicin nahe der LD50-Dosis und nachweisbarer intrazellulärer Aufnahme, konnte in den behandelten Tieren weder ein verkürztes noch ein MeCP2 Protein nativer Länge detektiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass für die „Stop-Codon Readthrough-Therapie“ für das Rett Syndrom neue Komponenten entwickelt werden oder andere Applikationswege gewählt werden müssen, da mit den derzeit verfügbaren Substanzen kein therapeutischer Erfolg erzielt werden kann. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Theorie einer gestörten Phagozytose MeCP2-defizienter Mikroglia, sowie die Therapie von MeCP2-defizienten Mäusen durch eine Knochenmarktransplantation überprüft. Dabei konnte weder in vitro noch in vivo eine Veränderung der Phagozytoseaktivität der MeCP2-defizienten Mikroglia nachgewiesen werden, wie sie von Derecki und Kollegen publiziert wurde. Die Transplantation von gesundem Knochenmark führte bei männlichen MeCP2R168X-Tieren zu keiner Verlängerung der Überlebensspanne oder einer allgemeinen Abmilde-rung der Symptomatik, wie sie ebenfalls von Derecki und Kollegen publiziert wurde. Bei weiblichen Tieren führte die Transplantation gesunden Knochenmarks zu einer Verschlechterung der motorischen Fähigkeiten. Diese Ergebnisse sind im Einklang mit denen Ergebnissen der Arbeitsgruppen von An-drew Pieper, Antonio Bedalov und Jeffrey Neul, die in anderen Mausmodellen die Wir-kung der Knochenmarktransplantation untersuchten. Die Ergebnisse aller beteiligten Arbeitsgruppen legen daher nahe, dass eine Knochen-marktransplantation nach einer Ganzkörperbestrahlung keine geeignete Therapie für das Rett Syndroms darstellt.

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A significant number of known human genetic diseases is associated with nonsense mutations leading to the introduction of a premature termination codon into the coding sequence. A termination codon can be read through by its near-cognate tRNA (tRNA with two anticodon nucleotides base-pairing with a stop codon); potentially generating C-terminally extended protein variants. In yeast, UGA stop codon was described to be read through by tRNA-Trp and tRNA-Cys. Similar was observed for tRNA-Trp in human HEK293T cell line. The aim of this thesis was to investigate if human tRNA-Cys can act as a near-cognate tRNA in human HEK293T cell line. There are two isoacceptors which constitute the tRNA-Cys family, with ACA and GCA anticodon. There are 1 and 23 isodecoders to the ACA and GCA anticodons, respectively. Here, altogether as many as nine tRNA-Cys isodecoders (distinct in their sequence and with varying levels of expression) were tested for their ability to increase UGA readthrough in HEK293T using p2luci and pSGDluc dual-luciferase reporter vectors. In both p2luci and pSGDluc, we observed that at least one tRNA-Cys isodecoder, tRNA-Cys-GCA-4-1, is capable of significantly elevating the UGA readthrough levels when overexpressed in HEK293T. This indicates that similarly to yeast, tRNA-Cys is capable of...

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There is scarce information on the fate of cardiac progenitor cells (CPC) in the embryonic heart after chamber specification. Furthermore, the role of acetylcholinesterase (AChE) during heart development is unknown, despite record of its presence in the myocardium. Although three molecular variants of AChE (R, H and T) exist due to alternate splicing, temporal and spatial distribution of these splice variants during cardiac ontogeny is not well characterized. We hypothesized that the AChE “R” splice variant (AChE-R) is involved in directing lineage commitment of mouse ventricular CPCs to the conduction cell phenotype. It is possible that AChE may promote the breakdown of ACh and block the effects of ligand-binding via M2 receptors present on the surface of CPCs. Our study has also provided a platform to suggest that AChE may play a role in the molecular mechanisms underlying functional diversification of myocardial cells into conduction system cells during ontogenesis.

La terminaison de la traduction se produit lorsqu’un codon stop entre au site A du ribosome où il est reconnu par le facteur de terminaison eRF1 accompagné du facteur eRF3. Cette étape de la traduction est encore mal comprise chez les eucaryotes. Au cours de ma thèse je me suis intéressée à l’étude de la fidélité de la terminaison de la traduction afin de mieux comprendre et caractériser les mécanismes moléculaires mis en jeu lors du décodage du codon stop.L’un de mes projets consistait à mieux caractériser une région du domaine N-terminal d’eRF1, la cavité P1, identifiée comme étant impliquée dans l’efficacité de terminaison. Grâce à une quantification de l’efficacité de translecture de mutants de la cavité P1, j’ai pu mettre en évidence le rôle de résidus clés comme les serines 33 et 70, impliquées dans le décodage spécifique du codon UGA probablement via une interaction directe entre les deux résidus, ou encore l’arginine 65 et la lysine 109, essentielles pour une terminaison efficace sur les trois codons stop. L’analyse par RMN de ces mutants a également permis de montrer que ces résidus étaient importants pour la conformation correcte de la cavité et potentiellement impliqués dans une interaction directe avec l’ARNm. La combinaison des données génétiques et structurales nous a permis de proposer un modèle d’interaction entre l’ARNm et le facteur de terminaison eRF1 dans lequel le codon stop serait reconnu en partie par l’intermédiaire de la cavité P1. Dans la cellule, la terminaison est toujours en compétition avec la translecture, qui correspond à l’incorporation d’un ARNt proche-cognat au niveau du codon stop. Afin d’identifier les acides aminés incorporés par translecture au niveau du codon stop, j’ai mis au point un système basé sur l’expression et la purification de protéines issues de la translecture qui sont ensuite analysées par spectrométrie de masse. J’ai pu mettre en évidence que la glutamine, la tyrosine et la lysine s’incorporent au niveau des codons UAA et UAG, alors que le tryptophane, la cystéine et l’arginine sont retrouvés au niveau du codon UGA. J’ai également pu montrer que le contexte en 5’ n’influençait pas l’incorporation des acides aminés au codon stop mais qu’en revanche, la présence de la paromomycine avait un impact sur la sélection des ARNt suppresseurs naturels. Ce projet permet d’apporter de nouvelles informations sur les règles de décodage grâce à l’analyse des appariements entre codons stop et anticodons des ARNt naturels suppresseurs. Il permet également d’envisager des perspectives thérapeutiques dans le cadre des maladies liées à la présence d’un codon stop prématuré et pour lesquelles le traitement repose sur l’utilisation de la translecture afin de ré-exprimer des protéines entières. / Translation termination occurs when a stop codon enters the A site of the ribosome where it is recognized by eRF1 (eukaryotic release factor 1), associated with eRF3. This step of translation is not yet understood in eukaryotes. During my PhD, I was interested in studying translation termination accuracy to better understand and characterize the molecular mechanisms involved in stop codon decoding.One of my project consisted in characterizing a region in eRF1 N-terminal domain, pocket P1, identified to be involved in termination efficiency. Through a quantification of readthrough efficiency of pocket P1 mutants, I have highlighted the role of key residues, like serine 33 and serine 70, implicated in specific recognition of UGA stop codon, probably through a direct interaction between the two amino acids, and also arginine 65 and lysine 109, essential for efficient termination on the three stop codons. The analysis of the mutants by NMR revealed that these residues are also important for proper conformation of the cavity and potentially involved in a direct interaction with mRNA. The combination of our genetic data and structural analysis allowed us to propose a model of interaction between termination factor eRF1 and the mRNA, in which the stop codon would be recognized partially through pocket P1.In cells, termination always competes with readthrough which corresponds to the incorporation of near-cognate tRNAs at the stop codon. To identify the amino acids inserted by readthrough at the stop codon, I have developed a reporter system based on the expression and purification of readthrough proteins that are analyzed by mass spectrometry. I found that glutamine, tyrosine and lysine are inserted at UAA and UAG stop codons, whereas tryptophan, cysteine and arginine are inserted at UGA stop codon. I also showed that the 5’ nucleotide context does not influence the incorporation of amino acids at the stop codons by readthrough, but that, in contrast, the presence of paromomycin impacted the selection of natural suppressors tRNAs incorporated by readthrough. This project gives us new insights into the decoding rules by analyzing the base pairings between stop codon and near-cognates anticodons. It also allows us to consider therapeutic prospects for the treatment of premature stop codon diseases which uses readthrough as a tool to re-express full-length proteins from mRNAs that are interrupted by the presence of a premature stop codon.