Catharanthus roseus (Madagascar periwinkle) is the exclusive source of an array of terpenoid indole alkaloids (TIAs) that are used in the treatments of hypertension and certain types of cancer. TIA biosynthesis is under stringent spatiotemporal control and is induced by jasmonate (JA) and fungal elicitors. Tryptamine, derived from the indole branch, and secologanin from the iridoid branch are condensed to form the first TIA, strictosidine. Biosynthesis of TIA is regulated at the transcriptional level and several transcription factors (TFs) regulating the expression of genes encoding key enzymes in the pathway have been isolated and characterized. The JA-responsive APETALA2/ETHYLENE RESPONSE FACTOR (AP2/ERF), ORCA3, and the basic helix-loop-helix (bHLH) factor, CrMYC2, are the key activators of the TIA biosynthesis. Recently, two other TFs, the bHLH IRIDOID SYNTHESIS 1 (BIS1) and BIS2 were also identified as regulators of TIA pathway. Analysis of C. roseus genome sequence has revealed that ORCA3 forms a physical cluster with two uncharacterized AP2/ERFs, ORCA4 and ORCA5. In plants, physically linked clusters of TFs are less characterized. Moreover, the regulation of TF clusters is relatively unexplored. My research uncovered that the ORCA gene cluster is differentially regulated. ORCA4 and ORCA5, while functionally overlapping with ORCA3, regulate an additional set of TIA pathway genes. ORCA4 or ORCA5 overexpression has resulted in significant increase of TIA accumulation in C. roseus hairy roots. In addition, ORCA5 directly regulates the expression of ORCA4 and indirectly regulates ORCA3, likely via unknown factor(s). Interestingly, ORCA5 also activates the expression of ZCT3, a negative regulator of the TIA pathway. In addition CrMYC2 is capable of activating ORCA3 and co-regulating pathway genes concomitantly with ORCA3. Several lines of evidence suggest that, in addition to the transcriptional control, biosynthesis of TIAs is also controlled at the posttranslational level, such as protein phosphorylation. Available literature indicates that a mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade is involved in this process. Analysis of C. roseus MAP kinome, identified two independent MAPK cascades regulating the indole and iridoid branches of the TIA pathway. We showed that the ORCA cluster and CrMYC2 act downstream of a MAP kinase cascade consisting of CrMAPKK1, CrMAPK3 and CrMAPK6. Overexpression of CrMAPKK1 in C. roseus hairy roots upregulates TIA pathway genes expressions and boosts TIA accumulation. The other cascade, consisting of CrMAPKK6 and CrMAPK13, mostly regulates the iridoid branch of the TIA pathway. Overexpression of CrMAPK13 in C. roseus hairy roots significantly upregulates iridoid pathway genes and boosts tabersonine accumulation. Moreover, we recently identified the third MAPK cascade, consisting of CrMAPKK1 and CrMAPK20, that negatively regulates the indole branch of the TIA pathway. Overexpression of CrMAPK20 in C. roseus hairy roots represses the genes regulated by CrMYC2-ORCAs and reduces catharanthine accumulation. These findings significantly advance our understanding of transcriptional and post-translational regulatory mechanisms that govern TIA biosynthesis in C. roseus.

Multidrug resistance protein 2 (MRP2) is the second member the C subfamily in the superfamily of adenosine triphosphate (ATP)-binding cassette (ABC) efflux transporters. MRP2 is a critical player for generation of bile acidindependent bile flow and biliary excretion of glutathione, glucuronate and sulfate conjugates of endo- and xenobiotics. Dysfunctional expression of MRP2 is associated with Dubin-Johnson Syndrome. Pathological and physiological states or xenobiotics change the MRP2 expression level. Under some conditions, expression of the human MRP2 and rat Mrp2 proteins are regulated at the translation level. There are several transcription initiation sites in MRP2/Mrp2 gene. The 5’ untranslated regions (5’UTRs) of MRP2/Mrp2 contains multiple translation start codons. The focus of this study, therefore, was investigation of the translational regulatory mechanisms mediated by the upstream open reading frames (uORF) of MRP2/Mrp2. Using in vitro translation assays and transient cotransfection assays in HepG2 cells, we showed that the rat uORF1 starting at position -109 (relative to the ATG of Mrp2) and the human uORF2 starting at position -105 (relative to the ATG of MRP2) are two major cis-acting inhibitors of translation among the rat and human multiple uORFs, respectively. Translational regulation mediated by the uORFs in the rat Mrp2 mRNA is a combined effect of the leaky scanning model and the reinitiation model, and also results from interaction of the multiple uORFs. In addition, by Ribonuclease Protection Assays (RPA), we detected multiple transcription initiation sites of MRP2/Mrp2 gene in tissues. We also found that the relative abundance of the rat Mrp2 mRNA isoforms with different 5’UTRs differed in the rat liver, kidney, jejunum, ileum, placenta, and lung. This is the first study on the translational regulatory mechanisms of the MRP2/Mrp2 gene.

Régulation post-traductionnelle des canaux potassiques par les CPKs (Protéines Kinases Dépendantes du Calcium) chez Arabidopsis thaliana : un rôle dans la réponse adaptative aux stress environnementaux ? Les canaux potassiques de la famille Shaker sont des voies majeures du transport de K+ à travers la membrane plasmique. Ces canaux sont impliqués dans l'absorption du potassium depuis le sol et dans sa redistribution dans les parties aériennes de la plante. Ils sont également impliqués dans les mouvements stomatiques et sont pour cela finement régulés. Ils peuvent subir des modifications post-traductionnelles telle que la phosphorylation par des protéines kinases. L'objectif principal de ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et a pour but d'évaluer l'implication des CPKs dans la régulation post-traductionnelle des canaux Shaker. Les mécanismes d'action de deux CPKs (CPK13 et CPK6) sur la sous-unité entrante KAT2 sont plus spécifiquement étudiés. La première partie du travail de thèse avait pour but de mettre en place le matériel nécessaire pour l'étude en réalisant les clonages, la production des protéines recombinantes et leur caractérisation et testant les premiers effets des CPKs sur l'activité des canaux en expression hétérologue. La seconde partie concerne l'étude du rôle de CPK13 dans la régulation stomatique via la sous-unité KAT2. Nous montrons que la sur-expression de CPK13 dans les lignées transgéniques induit, à court terme, un défaut dans l'ouverture stomatique et également, à long terme, un défaut dans la croissance de la plante. L'existence d'une interaction physique à la membrane plasmique entre CPK13 et KAT2 est montrée à l'aide de la technique de FRET-FLIM. et la phosphorylation de la sous-unité KAT2 par la protéine recombinante CPK13 est montrée in vitro à l'aide de puces à peptides. Enfin, il est montré par voltage-clamp en ovocyte de xénope que CPK13 inhibe l'activité de KAT2 de plus de 60%. Dans la dernière partie, nous présentons un ensemble de résultats qui suggèrent un rôle de CPK6 dans la tolérance au stress salin via son action sur KAT2. Il est en effet connu qu'en cas de stress salin, l'activité des canaux responsables de l'influx de potassium est stimulée, ce qui contribue au maintien d'un faible ratio Na+/K+ dans les cellules. Or, nous montrons un effet activateur de la CPK6 sur l'activité de KAT2, à l'aide de la technique de voltage-clamp. Nous montrons que l'expression du gène CPK6 est très augmentée en réponse à un stress salin et que ceci est concomitant avec le déclenchement d'une vague calcique en réponse à ce même stress. L'utilisation de lignées GUS a permis de vérifier que les patrons d'expression des gènes CPK6 et KAT2 sont identiques chez Arabidopsis thaliana. Enfin, nous montrons une interaction physique entre le canal KAT2 et la protéine CPK6 (FRET-FLIM) et la phosphorylation de KAT2 par CPK6 (puces à peptides). / Post-translational regulation of potassium channels by CPKs (Calcium-dependent Protein Kinases) in Arabidopsis thaliana: a role in adaptive response to environmental stresses?Potassium Shaker channels are major pathways for K+ across plant cell plasma membrane. These channels are implicated in K+ absorption from soil and in its redistribution throughout the plant. They are more particularly implicated in stomatal movement and therefore are finely regulated. They can especially undergo post-translational modifications such as phosphorylation by protein kinases. The aim of this work is to determine the implication of CPKs (Ca2+-dependent Protein Kinases) in Shaker channel post-translational regulation. CPK13 and CPK6 molecular mechanisms of action on Shaker sub-unit KAT2 activity are specifically studied here. First part of this work consisted in cloning, producing and characterizing recombinant proteins and broad screening of CPK effects on Shaker channel activity, using heterologous expression. Second part focuses on the role of CPK13 in stomatal regulation through its effect on KAT2 activity. Over-expression of CPK13 in plant is shown to induce a defect of stomatal aperture and plant growth. KAT2 and CPK13 interaction at the plasma membrane is evidenced by using FRET-FLIM technique. KAT2 phosphorylation by CPK13 is checked on peptide arrays. Finally, a 60% decrease of KAT2 activity by CPK13 is shown using voltage-clamp on xenopus oocyte. Third and last part of this work suggests a role of CPK6 in salt stress resistance through KAT2 channel regulation. Inward potassium channels are indeed known to be activated upon salt stress to contribute keeping a low Na+/K+ ratio. Now, voltage-clamp technique demonstrates that KAT2 activity is increased by CPK6 and salt stress is shown to both increase CPK6 expression and elicit a calcium wave. Using GUS lines evidences KAT2 and CPK6 co-expression in Arabidopsis thaliana (in phloem and guard cells). Physical interaction between these two partners is shown by FRET-FLIM, and KAT2 phosphorylation by CPK13 gets strong support from peptide array assays.

Das Eukaryotische-Initiations faktor-4E Bindungsprotein (4E-BP) ist ein Inhibitor der Translationsinitiation. Nicht-phosphoryliertes 4E-BP bindet an den eukaryotischen Initiationsfaktor 4E (eIF4E). Diese Bindung blockiert die Rekrutierung des Initiationskomplexes eIF4F an die Cap-Struktur des 5´Endes von eukaryotischen zellulären mRNAs, was die Initiation der Translation verhindert. Phosphorylierung von 4E-BP durch die mTOR Kinase führt zur Dissoziation des 4E-BP/eIF4E Komplexes und erhöht die Verfügbarkeit von eIF4E, dies wird mit Zellproliferation assoziiert. Die Aktivität von eIF4E wird nicht nur von 4E-BP, sondern auch durch Phosporylierung reguliert, welche wiederum durch die "MAP-Kinase-Interacting-Protein-Kinase" (MNK) reguliert wird. Drei Isoformen von 4E-BP sind bekannt: 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 und 4E-BP2 sind an oxidativem und adipogenetischen Stress beteiligt. Beide Proteine werden im h?matopoetischen System gleich exprimiert, wohingegen 4E-BP3 nicht detektiert wird. 4E-BP1 wird während der Erythroblasten-Proliferation phosphoryliert. Aus diesem Grund habe ich die Hämatopoese und die durch Phenylhydrazine (PHZ) induzierte Stress-Erythropoese in 4E-BP1 und 4E-BP2 Knock-Out Mäusen und 4E-BP1,2 Doppel-Knock-Out Mäusen analysiert. Ich konnte zeigen, dass die Hämatopoese in 4E-BPs defizienten Mäusen nicht beeinflusst wird. Allerdings zeigten 4E-BP1,2-/- und 4E-BP2-/- Mäuse eine verspätete Antwort auf Phenylhydrazin (PHZ) induzierten erythropoetischen Stress. Gleichzeitig war die mRNA Translation von GATA-1, ein essentieller erythropoetischer Transkriptionsfaktor in Erythroblasten runterreguliert. Die Signaltransduktionswege mTOR und MNK1 waren bei erythropoetischen Stress aktiviert. Diese Daten zeigen, dass 4E-BP2, aber nicht 4E-BP1, notwendig ist um auf erythropoetischen Stress zu reagieren und deuten an, dass die 4E-BP gesteuerte translations-regulierende Maschinerie eine Rolle in der Stress-Erythropoese spielt. / Translational regulation allows an organism to generate fast responses to environmental changes quickly. Eukaryotic initiation factor 4E binding protein (4E-BP) is an inhibitor of translation initiation. Unphosphorylated 4E-BP binds to eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E) blocking recruitment of the initiation complex eIF4F to the cap structure at the 5´ terminus of eukaryotic cellular mRNAs. Thus initiation of translation is blocked. Phosphorylation of 4E-BP by the mTOR kinase causes disassociation of the 4E-BP/eIF4E complex and increases the availability of eIF4E. EIF4E activity is not only regulated by 4E-BP, but also phosphorylation which is regulated by MAP kinase - interacting protein kinase (MNK). Three isoforms of 4E-BP are known, termed 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 and 4E-BP2 are involved in oxidative and adipogenetic stresses in vivo. They are equally expressed in hematopoietic system, whereas 4E-BP3 is not detected. 4E-BP1 is phosphorylated during erythroblast proliferation. Erythroid differentiation is blocked by overexpresssion of eIF4E in tissue culture. These studies implied that 4E-BPs might play role in response to erythropoietic stress. I examined hematopoiesis and phenylhydrazine (PHZ) induced stress erythropoiesis in 4E-BP1 and 4E-BP2 individual knock out mice and 4E-BP1,2 compound knock out mice. I found that the hematopoiesis of 4E-BPs deficient mice were unaffected. However, 4E-BP1,2-/- and 4E-BP2-/- mice showed delayed response to phenylhydrazine (PHZ) induced erythropoietic stress. Simultaneously, the mRNA translation of GATA-1, which is the essential erythroid transcription factor, was downregulated in their erythroblasts. The signaling pathways through the mTOR and MNK1 were activated in erythropoietic stress. These data showed that 4E-BP2 but not 4E-BP1 was required for the response to erythropoietic stress and suggested that 4E-BP related translation regulatory machinery played a role in stress erythropoiesis.

L'utilisation des ressources en fer et les variations du potentiel redox sont des processus impliqués dans la prolifération et la différenciation cellulaire. Ils participent à l'hématopoïèse normale et leur dérégulation peut être associée à des conditions pathologiques. Les hémopathies, telles que la leucémie aiguë myéloïde (LAM), témoignent du lien entre disponibilité en fer, signalisation redox et leucémogenèse. La déplétion en fer induit un arrêt de la prolifération suivi de la mort cellulaire, et pour des cellules primaires leucémiques (blastes) de patients LAM, elle peut conduire à un réengagement de la différenciation vers la lignée monocytaire. Cependant, les besoins en fer des clones leucémiques restent mal définis. Dans les cellules animales, le cœur du réseau de régulation du fer est organisé à travers le système régulateur IRE-IRP. Les Iron Regulatory Proteins (IRP), agissent sur la traduction de nombreuses protéines impliquées dans la gestion du fer par interaction avec les Iron Responsive Elements (IRE) localisés sur les régions non codantes des ARN messager (ARNm) régulés. A partir de lignées cellulaires leucémiques (KG1, K562), de blastes de patients LAM et de progéniteurs CD34+ contrôles issus de sang de cordon et de moelle osseuse de donneurs sains, le statut du système de gestion cellulaire du fer a été caractérisé pour les premières étapes de l'hématopoïèse normale et pathologique. A travers la manipulation des apports cellulaires en fer, notamment par l'utilisation de chélateurs à usage thérapeutique, la réponse du système homéostatique a été suivie. Nos données soulignent les faibles besoins en fer des progéniteurs hématopoïétiques, et d'autres cellules, pour proliférer. Dans les lignées cellulaires le régulateur IRP est en excès par rapport à ses cibles IRE, ce qui pourrait être une caractéristique générale du contrôle de la traduction pour des ARNm spécifiques par fixation de régulateurs translationnels. La régulation semble exclusivement le fait d' IRP1, puisqu' IRP2 n'a pas été détecté dans les progéniteurs hématopoïétiques, qu'ils soit pathologiques ou non. De subtiles différences ont été identifiées dans les quantités des composants du réseau gérant le fer dans les cellules leucémiques en comparaison des cellules saines témoins, ainsi que des capacités différentes à croître dans un milieu minimal comportant des concentrations en fer précisément définies. Les informations obtenues à travers ce travail pourraient bénéficier à l'élaboration de protocoles thérapeutiques, incluant notamment la manipulation du fer, dans les LAM ou d'autres pathologies. / Use of iron resources and variations of the redox balance are processes involved in cell proliferation and differentiation. They participate to normal hematopoiesis and their disturbance may be associated with pathological conditions. Hematological neoplasms, such as acute myeloid leukemia (AML), provide clinical evidence of the link between iron availability, redox signaling, and malignancy. Stringent iron depletion induces arrest of proliferation followed by cell death, and deprived primary leukemic cells of AML patients (blasts) have been previously shown to engage into the monocytic lineage. Yet, the iron needs of leukemic clones are unknown. The core network of cellular iron regulation in mammals is organized around the IRE-IRP system. The Iron Regulatory Proteins (IRP) act on the translation of many proteins involved in iron management by interacting with Iron Responsive Elements (IRE) located on the untranslated regions of messenger RNA (mRNA) coding these proteins. Using leukemic cell lines (KG1, K562), blasts of AML patients and CD34+ progenitors isolated from cord blood or the bone marrow of healthy donors, the status of the iron management system was established in the first stages of normal and pathological hematopoiesis. The response of the homeostatic system upon manipulation of iron provision, including with clinically implemented chelators, has been monitored. Our data emphasize the weak iron requirements of hematopoietic progenitors, and other cells, to proliferate. In cell lines the IRP regulator is in excess of its IRE targets, which may be a general feature of translational control for specific mRNA. The regulation seems exclusively mediated by IRP1, as the IRP2 regulator has not been detected in normal or malignant hematopoietic progenitors. Subtle differences have been found in the iron handling system of leukemic cells as compared to normal cells, together with different abilities to grow on a minimal medium containing precisely defined iron concentrations. The design of improved therapeutic regimens including iron manipulation, in AML and other pathologies, may benefit from considering the information obtained in this work.

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.

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.

Metachromatic leukodystrophy (MLD) and Gaucher disease (GD) are caused by a deficiency of arylsulphatase A (ASA) and b-glucocerebrosidase (GBA), respectively. They are lysosomal storage disorders with a heterogeneous clinical spectrum encompassing visceral, skeletal and neurologic involvement resulting in high morbidity and mortality. The overall aim of this study is to elucidate the genetic component/s of high ASA and GBA enzyme activity in normal healthy individuals with the ultimate goal of using this information to produce greater protein activity from a recombinant protein. A wide variation in ASA and GBA enzyme activity levels has been observed in the normal population. The first objective of this project was to identify and characterise single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the arylsulphatase A (ARSA) and glucocerebrosidase (GBA) genes that are responsible for determining the levels of expressed enzyme activity in the normal population. The second objective was to assess the contribution of transcriptional regulation and TCP80 mediated translational control to normal enzyme variation. TCP80, a translational control protein that interacts with the GBA coding region, is a splice variant of the interleukin binding factor 3 (ILF3) gene. Ten samples from individuals with high ASA activity and twenty samples from individuals with high GBA activity were screened for polymorphisms via denaturing high pressure liquid chromatography (dHPLC) and sequencing. The frequency of these polymorphisms in the normal population was determined using dot-blot hybridisation. Fifteen ARSA polymorphisms (4 promoter, 5 coding, 5 intronic and 1 poly(A) signal) and two GBA polymorphisms (1 intronic and 1 in 3¢-UTR) were identified. Two low frequency ASA polymorphisms (2723A > G, W193C) were found to be correlated with low activity, while another low frequency ASA polymorphism (1101+123C > T) was found to be correlated with high activity in a population of 113 individuals. Real time PCR was used to measure mRNA levels of GBA, ASA and LF3 along with enzyme activity levels of GBA and ASA in two cell types (leucocytes and skin fibroblasts) from four healthy individuals and seven cell lines (HL60, THP1, Huh7, U118, SW1353, Hep G2, and B-cells). Transcriptional control was evident for all three genes with GBA mRNA levels varying over 30 fold, ASA mRNA levels varying over seven fold and ILF3 levels varying more than 24 fold. The 5¢-flanking region of GBA was investigated for the cis-elements responsible for tissue-specific expression. However, it was not possible to demonstrate that the cis-element region was influencing GBA expression. Translational efficiency was measured using the magnitude of the mRNA:enzyme activity ratio as an indicator. GBA translational inefficiency was most pronounced in B cells which require four times more mRNA molecules than hepatocytes (Hep G2) and over 25 times more mRNA molecules than chondrocytes (SW1353) to produce one unit of GBA enzyme activity. Except in B-cells, GBA translational efficiency appears to increase as ILF3 mRNA levels decrease. The tissue-specific variation observed in the protein levels of the ILF3 splice variants, TCP80 and DRBP76, may play a role. The correlation of several low frequency SNPs with low ASA enzyme activity or high ASA activity indicates a role in determining the distribution of enzyme activity levels in the normal population. However, there do not appear to be any common high activity polymorphisms. Knowledge of the exact mechanisms responsible for the observed transcriptional and translational control of these lysosomal genes will greatly enhance the understanding of genotype-phenotype correlation and the contribution of genetic variants to natural variation.

Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Etablierung einer modifizierten Form des klassichen SILAC-Verfahrens, das in der quantitativen Massenspektrometrie zur Bestimmung von relativen Änderungen in Proteinmengen benutzt wird. Im sog. „pulsed SILAC (pSILAC)“ Verfahren werden Zellen im Zuge einer differentiellen Behandlung in Kulturmedien transferiert, die unterschiedlich Isotop-markierte Aminosäuren enthalten. Da hier die Quantifizierung auf dem Verhältnis der neusynthetisierten Proteinmengen beruht, können gezielt Unterschiede in der Proteinproduktion bestimmt werden. Mit Hilfe von pSILAC konnte im zweiten Teil der Arbeit erstmals quantitativ erfasst werden, welchen Einfluss microRNAs auf die Proteinsynthese ausüben. So konnte gezeigt werden, dass sowohl die Überexpression als auch die Repression einzelner microRNAs die Produktion hunderter Proteine beeinflussen kann. Außerdem konnten Genprodukte identifiziert werden, die ausschließlich translational reguliert werden. Die Messung von Proteinneusynthese ermöglichte auch die Bestimmung von Proteinumsatzraten, dargestellt im dritten Teil der Arbeit. Zusammen mit mRNA-Umsatzraten sowie Protein- und mRNA-Mengen bilden sie die Grundlage für eine dynamische Beschreibung zelluärer Genexpression. Durch den gleichzeitigen Einsatz des Nukleosidanalogons 4-Thiouridin (4sU) und von schweren Aminosäuren (SILAC) konnte eine metabolische Markierung neusynthetiserter mRNAs und Proteine in murinen Fibroblasten erreicht und damit eine Berechnung von Protein- und mRNA-Halbwertszeiten und absoluten Mengen für ca. 5,000 Gene ermöglicht werden. Während mRNA- und Proteinenmengen deutlich korrelierten, war zwischen mRNA- und Proteinhalbwertszeiten nur eine äußerste schwache Korrelation zu erkennen. Dennoch stehen mRNA- und Proteinumsatzraten nicht einem willkürlichen Zusammhang zu einander, da bestimmte Kombinationen von mRNA- und Proteinhalbwertszeiten eine Optimierung von Genen hinsichtlich ihrer biologischen Funktionen erkennen ließen. / The first part of the thesis describes the establishment of a modified version of the classic SILAC approach routinely used in quantitative mass spectrometry (MS) to assay relative changes in protein levels. In the newly-devised approach termed pulsed SILAC (pSILAC) differentially treated cells are transferred to culture medium supplemented with different versions of stable-isotope labeled heavy amino acids. As MS-based relative quantification is exclusively based on the newly-synthesized heavy protein amounts the method enables the detection of differences in protein production resulting from the treatment. The second part of the thesis shows the use of pSILAC to globally quantify the impact of microRNAs onto the proteome. Ectopic over-expression or knock-down of a single microRNA both affected protein production of hundreds of proteins. pSILAC identified several target genes as exclusively translationally regulated as changes in corresponding transcript levels were virtually absent. Measuring newly-synthesized protein amounts with heavy amino acids in a pulsed-labeling fashion has also been used to determine turnover rates of individual proteins, described in the third part of the present work. Along with transcript turnover as well as mRNA and protein levels they are essential for a dynamic description of gene expression. Simultaneous application of the nucleoside analogue 4-thiouridine (4sU) and heavy amino acids (SILAC) to metabolically label newly-produced mRNAs and proteins in mouse fibroblasts resulted in the calculation of mRNA and protein lifetimes and absolute levels for approximately 5,000 genes. While mRNA and protein levels were overall well correlated, a correlation between mRNA and protein half-lives was virtually absent. Yet this seemingly chaotic distribution of mRNA and protein half-lives was highly instructive since specific gene subsets have obviously evolved distinct combinations of half-lives that relate to their biological functions.