Effet du stress prolifératif sur la fonction des cellules souches hématopoïétiques : rôles des gènes Scl, E2A et Heb

Le système hématopoïétique est un tissu en constant renouvellement et les cellules souches hématopoïétiques (CSHs) sont indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang. Deux fonctions définissent les CSHs; la propriété d’auto-renouvellement, soit la capacité de préserver l’identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, le potentiel de différenciation permettant de générer toutes les lignées hématopoïétiques. Chez l’adulte, la majorité des CSHs sont quiescentes et l’altération de cet état corrèle avec une diminution du potentiel de reconstitution des CSHs, suggérant que la quiescence protège les fonctions des CSHs. La quiescence est un état réversible et dynamique et les réseaux génétiques le contrôlant restent peu connus. Un nombre croissant d’évidences suggère que si à l’état d’homéostasie il y a une certaine redondance entre les gènes impliqués dans ces réseaux de contrôle, leurs rôles spécifiques sont révélés en situation de stress. La famille des bHLHs (basic helix-loop-helix) inclue différentes classes des protéines dont ceux qui sont tissu-spécifiques comme SCL, et les protéines E, comme E12/E47 et HEB. Certains bHLHs sont proposés êtres important pour la fonction des cellules souches, mais cela ne fait pas l’unanimité, car selon le contexte cellulaire, il y a redondance entre ces facteurs. La question reste donc entière, y a-t-il un rôle redondant entre les bHLHs d’une même classe pour la fonction à long-terme des CSHs? Les travaux présentés dans cette thèse visaient dans un premier temps à explorer le lien encore mal compris entre la quiescence et la fonction des CSHs en mesurant leurs facultés suite à un stress prolifératif intense et dans un deuxième temps, investiguer l’importance et la spécificité de trois gènes pour la fonction des CSHs adultes, soit Scl/Tal1, E2a/Tcf3 et Heb/Tcf12. Pour répondre à ces questions, une approche cellulaire (stress prolifératif) a été combinée avec une approche génétique (invalidation génique). Plus précisément, la résistance des CSHs au stress prolifératif a été étudiée en utilisant deux tests fonctionnels quantitatifs optimisés, soit un traitement basé sur le 5-fluorouracil, une drogue de chimiothérapie, et la transplantation sérielle en nombre limite. Dans la mesure où la fonction d’un réseau génique ne peut être révélée que par une perturbation intrinsèque, trois modèles de souris, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/- ont été utilisés. Ceci a permis de révéler que l’adaptation des CSHs au stress prolifératif et le retour à l’équilibre est strictement contrôlé par les niveaux de Scl, lesquels règlent le métabolisme cellulaire des CSHs en maintenant l’expression de gènes ribosomaux à un niveau basal. D’autre part, bien que les composantes du réseau puissent paraître redondants à l’équilibre, mes travaux montrent qu’en situation de stress prolifératif, les niveaux de Heb restreignent la prolifération excessive des CSHs en induisant la sénescence et que cette fonction ne peut pas être compensée par E2a. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les CSHs peuvent tolérer un stress prolifératif intense ainsi que des dommages à l’ADN non-réparés, tout en maintenant leur capacité de reconstituer l’hématopoïèse à long-terme. Cela implique cependant que leur métabolisme revienne au niveau de base, soit celui trouvé à l’état d’homéostasie. Par contre, avec l’augmentation du nombre de division cellulaire les CSHs atteignent éventuellement une limite d’expansion et entrent en sénescence.

Étude du polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline chez des espèces de champignons mycorhiziens à arbuscules en vue de développer des marqueurs moléculaires

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA), classés dans le phylum Glomeromycota, ne peuvent pas être facilement identifiés par la morphologie de leurs spores et leurs mycélia à l'intérieur ou à l'extérieur des racines de leurs hôtes. Ce problème fondamental d'identification rend l'étude de leur diversité, en particulier dans leur habitat naturel (sol et racine) extrêmement difficile. Les gènes ribosomaux ont été largement utilisés pour développer des amorces spécifiques et en inférer des arbres phylogénétiques. Cependant, ces gènes sont très polymorphes et existent en plusieurs copies dans le génome des CMA, ce qui complique l’interprétation des résultats. Dans notre étude, nous avons étudié le polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline, présent en faible nombre de copies dans le génome des CMA, afin d’obtenir de nouvelles séquences nucléotidiques pour développer des marqueurs moléculaires. Les gènes β-tubuline amplifiés à partir de l'ADN génomique de cinq espèces du genre Glomus ont été clonés et séquencés. L’analyse des séquences indique un polymorphisme intraspécifique chez trois espèces de CMA. Deux séquences paralogues très variables ont été nouvellement identifiées chez les G. aggregatum, G. fasciculatum et G. cerebriforme. Aucun polymorphisme n’a été détecté chez les G. clarum et G. etunicatum. Toutes les séquences montrent la présence de deux introns hautement variables. La majorité des substitutions ont été localisées dans les exons et sont synonymes à 90%. La conservation des acides aminés suggère un niveau élevé de sélection négative sur le gène β-tubuline et nous permet de confirmer que les CMA représentent un ancien groupe fongique (400 million d’années). L’analyse phylogénétique, réalisée avec vingt et une séquences nucléotidiques du gène β-tubuline, a révélé que les séquences des Glomaceae forment un groupe monophylétique bien supporté, avec les Acaulosporaceae et Gigasporaceae comme groupe frère. Les séquences paralogues nouvellement identifiées chez les G. aggregatum et G. fasciculatum n'ont pas été monophylétiques au sein de chaque espèce. Les oligonucléotides ont été choisis sur la base des régions variables et conservées du gène β-tubuline. Le test PCR des amorces β-Tub.cerb.F/ β-Tub.cerb.R a révélé des bandes spécifiques de 401 pb pour les séquences paralogues du G. cerebriforme. Deux paires d’amorces ont été développées afin d’identifier les séquences du groupe nommé Tub.1. Les tests PCR nous ont permis d’identifier certaines séquences du groupe Tub.1. Une paire d’amorce β-Tub.2.F/ β-Tub.2.R nous a permis d’identifier certaines séquences paralogues du groupe nommé Tub.2. L’analyse d’autres gènes combinée à celle du gène β-tubuline permettra le développement de marqueurs moléculaires plus spécifiques pour l’identification de CMA.

Phage lambda beta protein, a component of general recombination, is associated with host ribosomal S1 protein

We have purified phage lambda beta protein produced by a recombinant plasmid carrying bet gene and confirm that it forms a complex with a protein of relative molecular mass 70 kDa. Therefore, beta protein, a component of general genetic recombination, is associated with two functionally diverse complexes; one containing exonuclease and the other 70 kDa protein. Using a number of independent methods, we show that 70 kDa protein is the ribosomal S1 protein of E. coli. Further, the association of 70 kDa protein with beta protein is biologically significant, as the former inhibits joining of the terminal ends of lambda chromosome and renaturation of complementary single stranded DNA promoted by the latter. More importantly, these findings initiate an understanding of an important mode of host- virus interaction in general with specific implication(s) in homologous genetic recombination.

Role of 16S ribosomal RNA methylations in translation initiation in Escherichia coli

Translation initiation from the ribosomal P-site is the specialty of the initiator tRNAs (tRNA(fMet)). Presence of the three consecutive G-C base pairs (G29-C41, G30-C40 and G31-C39) in their anticodon stems, a highly conserved feature of the initiator tRNAs across the three kingdoms of life, has been implicated in their preferential binding to the P-site. How this feature is exploited by ribosomes has remained unclear. Using a genetic screen, we have isolated an Escherichia coli strain, carrying a G122D mutation in folD, which allows initiation with the tRNA(fMet) containing mutations in one, two or all the three G-C base pairs. The strain shows a severe deficiency of methionine and S-adenosylmethionine, and lacks nucleoside methylations in rRNA. Targeted mutations in the methyltransferase genes have revealed a connection between the rRNA modifications and the fundamental process of the initiator tRNA selection by the ribosome.

Ribosomal phosphoproteins in Microsporum canis

Ribosomal phosphoproteins of Microsporum canis labelled in vivo were characterised by two-dimensional and SDS polyacrylamide gel electrophoresis. A small subunit protein, S6, was the only phosphoprotein identified in 40S and 80S in basic-acidic two-dimensional gels. Three different forms of phosphorylated S6 were also observed in 40S subunit. On SDS gels five phosphoproteins were identified in 80S; of these three were present in 40S and two in 60S. S6 was the only basic phosphoprotein, while the other four were acidic.

Cycloheximide enhances factor binding to the native 40S ribosomal subunit of Microsporum canis

Native and derived ribosomal particles from the mycelial cells of Microsporum canis grown in the presence and absence of cycloheximide were compared by CsCl equilibrium density gradient centrifugation. Since the buoyant densities of ribonucleoprotein complexes are dependent on the protein-RNA ratio, they reflect the composition of these particles. The native monosomes from cells grown in the presence and absence of cycloheximide had a buoyant density of 1.585 g/cc. The native 60S subunits showed a density of 1.540 g/cc from cells grown in both presence and absence of cycloheximide, while the derived subunits showed a density of 1.610 g/cc. The derived 40S subunits had a density of 1.550 g/cc while the native 40S showed a major species of density 1.535 g/cc with three other minor species ranging in densities from 1.450-1.390 g/cc. The mycelia grown in the presence of cycloheximide showed an increased proportion of native 40S subunits in the density range of 1.450-1.390 g/cc, indicating that the drug enhances factor binding to native ribosomal subunits in M. canis.

Crucial contribution of the multiple copies of the initiator tRNA genes in the fidelity of tRNA(fMet) selection on the ribosomal P-site in Escherichia coli

The accuracy of the initiator tRNA (tRNA(fMet)) selection in the ribosomal P-site is central to the fidelity of protein synthesis. A highly conserved occurrence of three consecutive G-C base pairs in the anticodon stem of tRNA(fMet) contributes to its preferential selection in the P-site. In a genetic screen, using a plasmid borne copy of an inactive tRNA(fMet) mutant wherein the three G-C base pairs were changed, we isolated Escherichia coli strains that allow efficient initiation with the tRNA(fMet) mutant. Here, extensive characterization of two such strains revealed novel mutations in the metZWV promoter severely compromising tRNA(fMet) levels. Low cellular abundance of the chromosomally encoded tRNA(fMet) allows efficient initiation with the tRNA(fMet) mutant and an elongator tRNA(Gln), revealing that a high abundance of the cellular tRNA(fMet) is crucial for the fidelity of initiator tRNA selection on the ribosomal P-site in E. coli. We discuss possible implications of the changes in the cellular tRNA(fMet) abundance in proteome remodeling.

Cryptic AUG is important for 48S ribosomal assembly during internal initiation of translation of coxsackievirus B3 RNA

We have investigated the possible role of a conserved cis-acting element, the cryptic AUG, present in the 5' UTR of coxsackievirus B3 (CVB3) RNA. CVB3 5' UTR contains multiple AUG codons upstream of the initiator AUG, which are not used for the initiation of translation. The 48S ribosomal assembly takes place upstream of the cryptic AUG. We show here that mutation in the cryptic AUG results in reduced efficiency of translation mediated by the CVB3 IRES; mutation also reduces the interaction of mutant IRES with a well characterized IRES trans-acting factor, the human La protein. Furthermore, partial silencing of the La gene showed a decrease in IRES activity in the case of both the wild-type and mutant. We have demonstrated here that the interaction of the 48S ribosomal complex with mutant RNA was weaker compared with wild-type RNA by ribosome assembly analysis. We have also investigated by chemical and enzymic modifications the possible alteration in secondary structure in the mutant RNA. Results suggest that the secondary structure of mutant RNA was only marginally altered. Additionally, we have demonstrated by generating compensatory and non-specific mutations the specific function of the cryptic AUG in internal initiation. Results suggest that the effect of the cryptic AUG is specific and translation could not be rescued. However, a possibility of tertiary interaction of the cryptic AUG with other cis-acting elements cannot be ruled out. Taken together, it appears that the integrity of the cryptic AUG is important for efficient translation initiation by the CVB3 IRES RNA.

Pleiotropic Roles of a Ribosomal Protein in Dictyostelium discoideum

The cell cycle phase at starvation influences post-starvation differentiation and morphogenesis in Dictyostelium discoideum. We found that when expressed in Saccharomyces cerevisiae, a D. discoideum cDNA that encodes the ribosomal protein S4 (DdS4) rescues mutations in the cell cycle genes cdc24, cdc42 and bem1. The products of these genes affect morphogenesis in yeast via a coordinated moulding of the cytoskeleton during bud site selection. D. discoideum cells that over-or under-expressed DdS4 did not show detectable changes in protein synthesis but displayed similar developmental aberrations whose intensity was graded with the extent of over-or under-expression. This suggested that DdS4 might influence morphogenesis via a stoichiometric effect - specifically, by taking part in a multimeric complex similar to the one involving Cdc24p, Cdc42p and Bem1p in yeast. In support of the hypothesis, the S. cerevisiae proteins Cdc24p, Cdc42p and Bem1p as well as their D. discoideum cognates could be co-precipitated with antibodies to DdS4. Computational analysis and mutational studies explained these findings: a C-terminal domain of DdS4 is the functional equivalent of an SH3 domain in the yeast scaffold protein Bem1p that is central to constructing the bud site selection complex. Thus in addition to being part of the ribosome, DdS4 has a second function, also as part of a multi-protein complex. We speculate that the existence of the second role can act as a safeguard against perturbations to ribosome function caused by spontaneous variations in DdS4 levels.

Distinctive contributions of the ribosomal P-site elements m(2)G966, m(5)C967 and the C-terminal tail of the S9 protein in the fidelity of initiation of translation in Escherichia coli

The accuracy of pairing of the anticodon of the initiator tRNA (tRNA(fMet)) and the initiation codon of an mRNA, in the ribosomal P-site, is crucial for determining the translational reading frame. However, a direct role of any ribosomal element(s) in scrutinizing this pairing is unknown. The P-site elements, m(2)G966 (methylated by RsmD), m(5)C967 (methylated by RsmB) and the C-terminal tail of the protein S9 lie in the vicinity of tRNA(fMet). We investigated the role of these elements in initiation from various codons, namely, AUG, GUG, UUG, CUG, AUA, AUU, AUC and ACG with tRNA(CAU)(fmet) (tRNA(fMet) with CAU anticodon); CAC and CAU with tRNA(GUG)(fme); UAG with tRNA(GAU)(fMet) using in vivo and computational methods. Although RsmB deficiency did not impact initiation from most codons, RsmD deficiency increased initiation from AUA, CAC and CAU (2- to 3.6-fold). Deletion of the S9 C-terminal tail resulted in poorer initiation from UUG, GUG and CUG, but in increased initiation from CAC, CAU and UAC codons (up to 4-fold). Also, the S9 tail suppressed initiation with tRNA(CAU)(fMet)lacking the 3GC base pairs in the anticodon stem. These observations suggest distinctive roles of 966/967 methylations and the S9 tail in initiation.

Role of the Ribosomal P-Site Elements of m(2)G966, m(5)C967, and the S9 C-Terminal Tail in Maintenance of the Reading Frame during Translational Elongation in Escherichia coli

The ribosomal P-site hosts the peptidyl-tRNAs during translation elongation. Which P-site elements support these tRNA species to maintain codon-anticodon interactions has remained unclear. We investigated the effects of P-site features of methylations of G966, C967, and the conserved C-terminal tail sequence of Ser, Lys, and Arg (SKR) of the S9 ribosomal protein in maintenance of the translational reading frame of an mRNA. We generated Escherichia coli strains deleted for the SKR sequence in S9 ribosomal protein, RsmB (which methylates C967), and RsmD (which methylates G966) and used them to translate LacZ from its +1 and -1 out-of-frame constructs. We show that the S9 SKR tail prevents both the +1 and -1 frameshifts and plays a general role in holding the P-site tRNA/peptidyl-tRNA in place. In contrast, the G966 and C967 methylations did not make a direct contribution to the maintenance of the translational frame of an mRNA. However, deletion of rsmB in the S9 Delta 3 background caused significantly increased -1 frameshifting at 37 degrees C. Interestingly, the effects of the deficiency of C967 methylation were annulled when the E. coli strain was grown at 30 degrees C, supporting its context-dependent role.

Re-analysis of cryoEM data on HCV IRES bound to 40S subunit of human ribosome integrated with recent structural information suggests new contact regions between ribosomal proteins and HCV RNA

In this study, we combine available high resolution structural information on eukaryotic ribosomes with low resolution cryo-EM data on the Hepatitis C Viral RNA (IRES) human ribosome complex. Aided further by the prediction of RNA-protein interactions and restrained docking studies, we gain insights on their interaction at the residue level. We identified the components involved at the major and minor contact regions, and propose that there are energetically favorable local interactions between 40S ribosomal proteins and IRES domains. Domain II of the IRES interacts with ribosomal proteins S5 and S25 while the pseudoknot and the downstream domain IV region bind to ribosomal proteins S26, S28 and S5. We also provide support using UV cross-linking studies to validate our proposition of interaction between the S5 and IRES domains II and IV. We found that domain IIIe makes contact with the ribosomal protein S3a (S1e). Our model also suggests that the ribosomal protein S27 interacts with domain IIIc while S7 has a weak contact with a single base RNA bulge between junction IIIabc and IIId. The interacting residues are highly conserved among mammalian homologs while IRES RNA bases involved in contact do not show strict conservation. IRES RNA binding sites for S25 and S3a show the best conservation among related viral IRESs. The new contacts identified between ribosomal proteins and RNA are consistent with previous independent studies on RNA-binding properties of ribosomal proteins reported in literature, though information at the residue level is not available in previous studies.