Étude de l'influence du variant d'histone H2A.Z sur l'organisation des nucléosomes aux enhancers liés par le récepteur alpha de l'oestrogène

L'identité et la réactivité cellulaires sont établies, maintenues et modulées grâce à l'orchestration de programmes transcriptionnels spécifiques. Les éléments régulateurs, des régions particulières de la chromatine responsables de l'activation ou de la répression des gènes, sont au coeur de cette opération. Ces dernières années, de nombreuses études ont révélé le rôle central des « enhancers » dans ce processus. En effet, des centaines de milliers « enhancers » seraient éparpillés dans le génome humain, majoritairement dans sa portion non-codante, et contrairement au promoteur, leur activation varierait selon le type ou l'état cellulaire ou en réponse à une stimulation physiologique, pathologique ou environnementale. Les « enhancers » sont, en quelque sorte, des carrefours où transitent une multitude de protéines régulées par les signaux intra- et extra-cellulaires et un dialogue s'établit entre ces diverses protéines et la chromatine. L'identification des « enhancers ainsi qu'une compréhension de leur mode de fonctionnement sont donc cruciales, tant au plan fondamental que clinique. La chromatine joue un rôle indéniable dans l'activité des éléments régulateurs, tant par sa composition que par sa structure, en régulant, entre autres, l'accessibilité de l'ADN. En effet, l'ADN des régions régulatrices est bien souvent masqué par un nucléosome occlusif, lequel doit être déplacé ou évincé afin de permettre la liaison des protéines régulatrices, notamment les facteurs de transcription (FTs). Toutefois, la contribution de la composition de la chromatine à ce processus reste incomprise. Le variant d'histone H2A.Z a été identifié comme une composante de la chromatine aux régions accessibles, dont des « enhancers » potentiels. Toutefois son rôle y est inconnu, bien que des études récentes suggèrent qu'il pourrait jouer un rôle important dans la structure de la chromatine à ces régions. Par ailleurs, un lien étroit existe entre H2A.Z et la voie de signalisation des oestrogènes (notamment la 17-[beta]-estradiol (E2)). Ainsi, H2A.Z est essentiel à l'expression de plusieurs gènes cibles de l'E2. Les effets de l'E2 sont en partie exercés par un FT, le récepteur alpha des oestrogènes (ER[alpha]), lequel se lie à l'ADN suite à son activation, et ce majoritairement à des « enhancers », et permet l'établissement d'un programme transcriptionnel spécifique. Cette thèse vise à définir le rôle d'H2A.Z aux « enhancers », et plus particulièrement son influence sur l'organisation des nucléosomes aux « enhancers » liés par ER[alpha]. D'abord, mes travaux effectués à l'échelle du génome ont démontré qu'H2A.Z n'est présent qu'à certains ER[alpha]-« enhancers » actifs. Cette particularité a fait en sorte que nous avons pu comparer directement les « enhancers » actifs occupés par H2A.Z à ceux non-occupés, afin de mettre en évidence sa relation à l'environnement chromatinien. Étonnamment, il est apparu qu'H2A.Z n'introduit pas une organisation unique ou particulière des nucléosomes aux « enhancers ». Par ailleurs, nos résultats montrent qu'H2A.Z joue un rôle crucial dans la régulation de l'activité des « enhancers ». En effet, nous avons observé que suite à leur activation par l'E2, les « enhancers » occupés par H2A.Z recrutent l'ARN polymérase II (ARNPII) et produisent un transcrit. Ils recrutent également RAD21, une composante du complexe cohésine impliqué, entre autres, dans des interactions chromosomiques entre « enhancers » et promoteurs. De façon intéressante, nous avons mis en évidence que ces trois évènements, connus pour leur importance dans l'activité des « enhancers », sont dépendants d'H2A.Z. Ainsi, la présence d'H2A.Z à l' « enhancer » pourrait permettre un environnement chromatinien favorable à trois aspects clés de l'activité des « enhancers » : la présence de l'ARNPII, la transcription et la formation d'une boucle d'interaction, et par la suite, de par la proximité « enhancer »-promoteur ainsi créée, augmenter la concentration d'ARNPII à proximité du promoteur favorisant l'expression du gène cible. Un tel rôle central d'H2A.Z dans l'activité d' « enhancers » spécifiques pourrait participer à un mécanisme épigénétique ciblé de la régulation de l'expression des gènes.

Implication du virus Epstein-Barr ainsi que de la protéine virale EBNA1 dans la modification de l’épissage alternatif et dans le développement du cancer de l’estomac

Le virus Epstein-Barr est un des virus dotés de propriétés oncogéniques. Ceci est inquiétant car le virus est présent sous forme d’infection latente dans 95% de la population adulte au niveau mondial. Bien que ce virus soit associé surtout aux lymphomes, d’autres types de cancer sont aussi connus par leur association à cette infection tels que le carcinome gastrique. En fait, 10% de tous les cas de carcinome gastrique sont associés à la présence du virus Epstein-Barr. Plusieurs protéines du virus ont été étudiées individuellement afin d’établir leurs propriétés oncogéniques. Parmi celles-ci, la protéine virale EBNA1 joue un rôle important au niveau de la carcinogénèse et son expression est détectée au niveau des tissus gastriques cancéreux associés à l’infection par le virus Epstein-Barr. Des études réalisées au cours de ces dernières années montrent la relation entre un patron aberrant de l’épissage alternatif des ARN messagers et différents types de cancer, comme le cancer du sein et de la prostate. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à établir si le virus Epstein-Barr est capable de changer le patron d’épissage alternatif au niveau des tissus cancéreux de l’estomac. L’utilisation de données de séquençage à haut débit fait sur des tissus cancéreux et tissus sains d’estomac (infectés ou non par le virus Epstein-Barr) permettra d’estimer les changements au niveau du patron d’épissage alternatif en relation à l’état des tissus et de la présence du virus Epstein-Barr. Les résultats obtenus nous montrent que l’épissage alternatif de plus de 500 gènes est altéré lorsque le virus est présent. Parmi ces gènes plusieurs codent pour des facteurs d’épissage, des facteurs de transcription, et des suppresseurs de tumeurs qui pourraient être impliqués dans le processus de développement du cancer. Finalement, nos résultats montrent que le patron d’épissage alternatif d’une cellule est modifié lorsque celle-ci est infectée par le virus Epstein-Barr ou qu’elle exprime une de ses protéines virales EBNA1, et ces altérations touchent plusieurs gènes impliqués dans des processus biologiques et qui semblent favoriser le développement du cancer.

Caractérisation du repliement en temps réel du riborégulateur adénine

Vers la fin des années 1990 et au début des années 2000, l’idée que l’ARN puisse interagir directement avec de petits métabolites pour contrôler l’expression de certains gènes devient de plus en plus acceptée. Des recherches menées à cette époque ont permis la découverte de plusieurs structures d’ARN hautement conservées nommées riborégulateurs. La structure de ces ARN leur permet de reconnaître spécifiquement un ligand. La reconnaissance du ligand entraîne ensuite un changement de conformation dans l’ARN responsable du contrôle de l’expression génétique. Le but de cette thèse est d’étudier la structure et les changements de conformation du riborégulateur associé au gène add liant l’adénine chez Vibrio vulnificus. Ce riborégulateur étant relativement simple, les informations recueillies lors de cette étude pourront servir à comprendre le fonctionnement de riborégulateurs plus complexes. Dans l’introduction, la découverte des riborégulateurs sera décrite en plus des caractéristiques particulières et de l’importance de ces ARN. Par la suite, quelques exemples démontrant l’importance des structures d’ARN seront abordés. Ensuite, les techniques de fluorescence utilisées pour étudier les structures d’ARN au cours de cette thèse seront présentées. Enfin, les recherches effectuées sur les riborégulateurs adénine seront détaillées afin d’aider le lecteur à bien comprendre le type de riborégulateur au centre de cette thèse. Le chapitre 1 traite du repliement de l’aptamère suite à la liaison avec l’adénine. Dans ce chapitre, il est démontré que l’aptamère peut adopter trois conformations. Une modification de la séquence de l’aptamère de type sauvage a permis d’isoler ces trois conformations. Il a ensuite été possible d’identifier les caractéristiques propres à chacun des états. Le chapitre 2 s’intéresse à une région précise du riborégulateur adénine. Dans ce chapitre, la conformation du cœur de l’aptamère est étudiée plus en profondeur. Il y est possible de constater que le repliement du cœur de l’aptamère influence l’interaction boucle-boucle en présence de magnésium et de ligand. De plus, la présence de ligand, en concentration suffisante, permet le repliement du cœur et favorise le rapprochement des tiges P2 et P3 dans un aptamère muté pour empêcher la formation de l’interaction boucle-boucle. Il semble donc que le repliement du cœur de l’aptamère influence la structure globale de l’aptamère. Finalement, les travaux présentés dans les chapitres 1 et 2 seront mis en contexte avec la littérature scientifique disponible. Cette discussion tentera de réconcilier certaines observations contradictoires. Il sera ensuite question de l’impact que les travaux présentés dans cette thèse peuvent avoir dans le domaine de l’ARN. Enfin, quelques études à réaliser en continuité avec ces travaux seront proposées.

Caractérisation structurale de l'aptamère du riborégulateur SAM-I

La détermination de la structure d’une molécule dans une cellule est souvent la première étape à la compréhension de son mode d’action. Un exemple flagrant est le riborégulateur, qui est un ARN hautement structuré capable de lier un ligand et de modifier la régulation génique chez les bactéries. Cette étude se penche sur la structure de l’aptamère d’un riborégulateur pouvant se lier au métabolite S-adénosylméthionine (SAM), qui est impliqué dans des réactions de méthylations essentielles dans une cellule. Plus précisément, le modèle sélectionné pour ces travaux provient de la famille SAM-I et est composé de quatre tiges (P1 à P4). En utilisant des techniques biophysiques telles le FRET et le single-molecule FRET (sm-FRET), nous pouvons comprendre plus en détails le dynamisme structural du repliement de l’aptamère qui se passe en deux étapes. La première étape de repliement de l’aptamère est constituée par la formation de l’état intermédiaire induite par la liaison du magnésium. Cet état a été caractérisé grâce à des mutations nucléotidiques bloquant des changements conformationnels spécifiques. Aussi, cette étude a permis d’ajouter des détails biophysiques sur la dernière étape de repliement de l’aptamère induite par la liaison de SAM. La réorganisation finale du site de liaison implique une rotation de la tige P1. D’ailleurs, la formation de la tige P1 permet le contrôle direct de l’expression génétique. Ces deux étapes permettent à l’aptamère du riborégulateur SAM d’adopter sa structure native essentielle à l’arrêt de transcription. En bref, nous décrivons en détail les mécanismes structuraux expliquant le fonctionnement du riborégulateur SAM. Certains de ces mécanismes pourraient être communs à plusieurs classes de riborégulateurs, d’où l’intérêt de prospecter d’autres cibles.

Involvement of Beta-arrestin 1 and Beta-arrestin 2 in store operated calcium entry

Résumé : La variation de la [Ca2+] intracellulaire participe à nombreux de processus biologiques. Les cellules eucaryotes expriment à la membrane plasmique une variété de canaux par lesquelles le calcium peut entrer. Dans les cellules non excitables, deux mécanismes principaux permettent l'entrée calcique; l'entrée capacitative de Ca2+ via Orai1 (SOCE) et l'entrée calcique activé par un récepteur (ROCE). Plusieurs protéines clés sont impliquées dans la régulation de ces voies d'entrée calcique, ainsi que dans l'homéostasie calcique. TRPC6 est un canal calcique impliquée dans l'entrée calcique dans les cellules à la suite d’une stimulation d’un récepteur hormonal. TRPC6 transloque à la membrane cellulaire et il y demeure jusqu'à ce que le stimulus soit retiré. Les mécanismes qui régulent le trafic et l'activation de TRPC6 sont cependant encore peu connus. Des découvertes récentes ont démontré qu'il y a un rôle potentiel de Rho kinase dans l'activité de TRPC6. Rho kinase est activée par la petite protéine G RhoA qui peut être activée par les protéines G hétérotrimériques Gα12 et Gα13. En plus de Gα12 et Gα13, les protéines de désensibilisation des GPCR β -arrestin 1 et / ou β-arrestin 2 peuvent aussi activer RhoA. Le but de notre étude est d'examiner la participation des protéines Gα12/13 et β-arrestin 1/ β-arrestin 2 dans l'activation de TRPC6 et de la protéine Orai1. Nous avons utilisé des ARN interférant (siRNA) spécifiques pour induire une réduction de l'expression de Gα12/13 ou β-arrestin 1/β-arrestin 2. La conséquence sur l’entrée de Ca2+ dans les cellules a été ensuite déterminée par imagerie calcique en temps réel suite à une stimulation par la vasopressine (AVP), thapsigargin ou carbachol. Nous avons donc identifié que dans des cellules A7r5, une lignée cellulaire de musculaires lisses vasculaires où le canal TRPC6 exprimé de manière endogène, la diminution de l’expression des protéines Gα12 ou Gα13 ne semble pas modifier l’entrée Ca2+ induit par l’AVP par rapport aux cellules témoins. D'autre part, la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 dans des cellules HEK 293 ainsi que des cellules HEK 293 exprimant de façon stable TRPC6 (cellules T6.11) ont augmenté l’entrée de Ca2+ induite par thapsigargin, un activateur pharmacologique de SOCE. Des études de co-immunoprécipitation démontrent une interaction entre la β-arrestin 1 et STIM1, alors qu'aucune interaction n'a été observée entre les β-arrestin 1 et Orai1. Nous avons de plus montré à l'aide d'analyse en microscopie confocale que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 n’influence pas la quantité d’Orai1 à la périphérie cellulaire. Cependant, des résultats préliminaires indiquent que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 augmente la quantité de STIM1-YFP dans l'espace intracellulaire et diminue sa quantité à la périphérie cellulaire. En conclusion, nous avons montré que les β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 sont impliquées dans l'entrée capacitative de Ca2+ (SOCE) et contrôlent la quantité de STIM1 dans le réticulum endoplasmique.

Étude du comportement de la chromatine, de la régulation de la transcription et réparation des gènes de l’ARNr avant la réplication de l’ADN et assemblage de la réparation par excision de nucléotides chez Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Le nucléole est considéré comme étant une « usine » à produire des ribosomes. Cette production est la fonction la plus énergivore de la cellule. Elle met en jeu les trois ARN polymérases et représente 80% de l’activité de transcription au sein d’une cellule. Les trois quarts de cette activité de transcription correspondent à la synthèse des ARNr par l’ARN polymérase I (ARNPI). Ainsi mieux comprendre les mécanismes cellulaires se déroulant à l’intérieur de ce compartiment permettra le développement de nouveaux traitements contre le cancer. La synthèse d’ARNr par l’ARNPI est régulée à trois niveaux : l’initiation de la transcription, l’élongation et le nombre de gènes de l’ARNr en transcription. La plupart des travaux qui se sont intéressés à ces niveaux de régulation ont été réalisés avec des cellules en phase exponentielle de croissance. Au cours de mes travaux, je me suis attardé sur la régulation de la transcription par l’ARNPI au cours de la phase G1 du cycle cellulaire et au début de la phase S. Ainsi mes résultats ont montré que si la chromatine des gènes de l’ARNr est essentiellement dépourvue de nucléosomes, la régulation de l’ARNPI diffère dans des cellules en G1 et au début de la phase S. J’ai pu de ce fait observer qu’en G1, la transcription de l’ARNPI se concentre sur un nombre réduit de gènes en transcription. Dans des cellules arrêtées au début de la phase S avec de l’hydroxyurée, la transcription de l’ARNPI est perturbée par un défaut de maturation de l’ARNR. Fort de ces résultats sur la nature des gènes ribosomaux en phase G1, je me suis attardé à la réparation de ces gènes lors de cette phase. Alors que dans des cellules en phase exponentielle de croissance irradiées avec des UVC, la chromatine des gènes de l’ARNr se ferme ; je n’ai pas observé la formation de nucléosomes suite à l’irradiation de cellules synchronisée en G1. Mes résultats montrent également que la réparation est plus efficace. Parallèlement, j’ai exploré l’assemblage du complexe de réparation par excision de nucléotides. Toutefois, les résultats obtenus sont peu concluants.

Étude de la réparation des lésions induites par les UVs dans les extrémités chromosomiques de la levure Saccharomyces cerevisiae

Résumé : Les télomères sont des structures nucléoprotéiques spécialisées qui assurent la stabilité du génome en protégeant les extrémités chromosomiques. Afin d’empêcher des activités indésirables, la réparation des dommages à l’ADN doit être convenablement régulée au niveau des télomères. Pourtant, il existe peu d’études de la réparation des dommages induits par les ultraviolets (UVs) dans un contexte télomérique. Le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER pour « Nucleotide Excision Repair ») permet d’éliminer les photoproduits. La NER est un mécanisme très bien conservé de la levure à l’humain. Elle est divisée en deux sous voies : une réparation globale du génome (GG-NER) et une réparation couplée à la transcription (TC-NER) plus rapide et plus efficace. Dans notre modèle d’étude, la levure Saccharomyces cerevisiae, une forme compactée de la chromatine nommée plus fréquemment « hétérochromatine » a été décrite. Cette structure particulière est présente entre autres, au niveau des régions sous-télomériques des extrémités chromosomiques. La formation de cette chromatine particulière implique quatre protéines nommées Sir (« Silent Information Regulator »). Elle présente différentes marques épigénétiques dont l’effet est de réprimer la transcription. L’accès aux dommages par la machinerie de réparation est-il limité par cette chromatine compacte ? Nous avons donc étudié la réparation des lésions induites par les UVs dans différentes régions associées aux télomères, en absence ou en présence de protéines Sir. Nos données ont démontré une modulation de la NER par la chromatine, dépendante des nucléosomes stabilisés par les Sir, dans les régions sous-télomériques. La NER était moins efficace dans les extrémités chromosomiques que dans les régions plus proches du centromère. Cet effet était dépendant du complexe YKu de la coiffe télomérique, mais pas dépendant des protéines Sir. La transcription télomériques pourrait aider la réparation des photoproduits, par l’intermédiaire de la sous-voie de TC-NER, prévenant ainsi la formation de mutations dans les extrémités chromosomiques. Des ARN non codants nommés TERRA sont produits mais leur rôle n’est pas encore clair. Par nos analyses, nous avons confirmé que la transcription des TERRA faciliterait la NER dans les différentes régions sous-télomériques.

Régulation du transcriptome codant et non-codant chez Schizosaccharomyces pombe: facteurs et mécanismes impliqués dans la maturation 3’ des ARNs et la terminaison de la transcription

La synthèse d’un ARNm eucaryotique dépend d’une suite d’étapes qui inclut notamment l’ajout d’une queue poly(A) à son extrémité 3’. Au noyau, la queue poly(A) des ARNms est liée par PABPN1 (poly(A)-binding protein nuclear 1). PABPN1 fut notamment caractérisée, d’après des études in vitro, pour stimuler la réaction de polyadénylation en plus de contrôler la taille ultime des queues poly(A). Cela dit, la ou les fonction(s) biologique(s) de PABPN1 est/sont cependant largement méconnue(s). Chez Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), Pab2 est l’orthologue présumé de PABPN1. Or, mes travaux indiquent que Pab2 est fonctionnellement différente de PABPN1 à l’égard de son rôle sur le processus général de polyadénylation. Ainsi, in vivo, l’absence de Pab2 entraîne l’expression et l’accumulation d’un groupe limité d’ARNs hyperadénylés parmi lesquels se trouvent de nombreux petits ARNs nucléolaires non-codants (snoRNAs) lesquels constituent normalement un groupe abondant d’ARN poly(A)-. Mes résultats supportent ainsi un mécanisme par lequel des snoRNAs immatures poly(A)+, sont convertis en une forme mature poly(A)- par le biais de Pab2 et de l’activité 3’-->5’ exoribonucléase de l’exosome à ARN. Ces observations sont inusitées dans la mesure où elles associent une fonction pour une PABP dans la maturation d'ARNs non-codants, contrairement à la notion que les PABPs travaillent exclusivement au niveau des ARNms, en plus de procurer une nouvelle perspective face au mécanisme de recrutement de l'exosome à ARN à des substrats poly(A)+. La formation de l’extrémité 3’ d’un ARN est un processus étroitement lié à la terminaison de sa transcription. Pour les gènes codants, la terminaison transcriptionnelle est initiée par le clivage endonucléolytique du pré-ARNm. Ce clivage génère une extrémité d’ARN 5’ libre laquelle sera ciblée par une exoribonucléase 5'-->3’ afin de mener à bien l’éviction de l’ARNPII de la matrice d’ADN (terminaison transcriptionnelle de type torpedo). Au contraire, chez Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae), la majorité des gènes non-codants, incluant les snoRNAs, dépendent plutôt du complexe NNS (Nrd1/Nab3/Sen1) pour la terminaison de leur transcription. Cela dit, il est incertain si le complexe NNS est conservé chez d’autres espèces. À cet égard, mes travaux indiquent que S. pombe est dépourvu d’un mécanisme de terminaison de la transcription de type NNS. Seb1, l’orthologue présumé de Nrd1 chez S. pombe, s’associe plutôt à la machinerie de clivage et de polyadénylation et influence la sélection de site de polyadénylation à l’échelle du génome. Mes résultats supportent ainsi l’utilisation de la machinerie de maturation 3’ des ARNms comme principal vecteur de terminaison transcriptionnelle chez S. pombe et identifient Seb1 comme un facteur clé de ce processus. L’évènement transcriptionnel étant hautement complexe, des erreurs peuvent arriver de manière stochastique menant à l’accumulation d’ARNs aberrants potentiellement néfastes pour la cellule. Or, mes travaux ont mis en lumière un mécanisme de surveillance co-transcriptionnel des ARNs impliquant l’exosome à ARN et lié à la terminaison de la transcription. Pour ce faire, l’exosome à ARN promeut la terminaison transcriptionnelle via la dégradation d’une extrémité 3’ libre d’ARN devenue émergente suite au recul de l’ARNPII le long de la matrice d’ADN (phénomène de backtracking). Mes résultats supportent ainsi une terminaison de la transcription de type torpedo inversé (3'-->5’) réévaluant par la même occasion le concept voulant que la terminaison de la transcription s’effectue uniquement selon une orientation 5’-->3’. Somme toute, mes travaux de doctorat auront permis d’identifier et de caractériser plus en détail les facteurs et mécanismes impliqués dans la maturation 3’ et la terminaison de la transcription des gènes codants et non-codants chez l’organisme modèle S. pombe.