Analysis of the mitochondrial DNA of Schizophrenia patients by next generation sequencing

Mitochondrial DNA (mtDNA), a maternally inherited 16.6-Kb molecule crucial for energy production, is implicated in numerous human traits and disorders. It has been hypothesized that the presence of mutations in the mtDNA may contribute to the complex genetic basis of schizophreniadisease, due to the evidence of maternal inheritance and the presence of schizophrenia symptoms in patients affected of a mitochondrial disorder related to a mtDNA mutation. The present project aims to study the association of variants of mitochondrial DNA (mtDNA), and an increased risk of schizophrenia in a cohort of patients and controls from the same population. The entire mtDNA of 55 schizophrenia patients with an apparent maternal transmission of the disease and 38 controls was sequenced by Next Generation Sequencing (Ion Torrent PGM, Life Technologies) and compared to the reference sequence. The current method for establishing mtDNA haplotypes is Sanger sequencing, which is laborious, timeconsuming, and expensive. With the emergence of Next Generation Sequencing technologies, this sequencing process can be much more quickly and cost-efficiently. We have identified 14 variants that have not been previously reported. Two of them were missense variants: MTATP6 p.V113M and MTND5 p.F334L ,and also three variants encoding rRNA and one variant encoding tRNA. Not significant differences have been found in the number of variants between the two groups. We found that the sequence alignment algorithm employed to align NGS reads played a significant role in the analysis of the data and the resulting mtDNA haplotypes. Further development of the bioinformatics analysis and annotation step would be desirable to facilitate the application of NGS in mtDNA analysis.

Loss of function mutations in HARS cause a spectrum of inherited peripheral neuropathies.

Inherited peripheral neuropathies are a genetically heterogeneous group of disorders characterized by distal muscle weakness and sensory loss. Mutations in genes encoding aminoacyl-tRNA synthetases have been implicated in peripheral neuropathies, suggesting that these tRNA charging enzymes are uniquely important for the peripheral nerve. Recently, a mutation in histidyl-tRNA synthetase (HARS) was identified in a single patient with a late-onset, sensory-predominant peripheral neuropathy; however, the genetic evidence was lacking, making the significance of the finding unclear. Here, we present clinical, genetic, and functional data that implicate HARS mutations in inherited peripheral neuropathies. The associated phenotypic spectrum is broad and encompasses axonal and demyelinating motor and sensory neuropathies, including four young patients presenting with pure motor axonal neuropathy. Genome-wide linkage studies in combination with whole-exome and conventional sequencing revealed four distinct and previously unreported heterozygous HARS mutations segregating with autosomal dominant peripheral neuropathy in four unrelated families (p.Thr132Ile, p.Pro134His, p.Asp175Glu and p.Asp364Tyr). All mutations cause a loss of function in yeast complementation assays, and p.Asp364Tyr is dominantly neurotoxic in a Caenorhabditis elegans model. This study demonstrates the role of HARS mutations in peripheral neuropathy and expands the genetic and clinical spectrum of aminoacyl-tRNA synthetase-related human disease.

Embryonic gene expression of Coregonus palaea (whitefish) under pathogen stress as analyzed by high-throughput RNA-sequencing.

Most fishes produce free-living embryos that are exposed to environmental stressors immediately following fertilization, including pathogenic microorganisms. Initial immune protection of embryos involves the chorion, as a protective barrier, and maternally-allocated antimicrobial compounds. At later developmental stages, host-genetic effects influence susceptibility and tolerance, suggesting a direct interaction between embryo genes and pathogens. So far, only a few host genes could be identified that correlate with embryonic survival under pathogen stress in salmonids. Here, we utilized high-throughput RNA-sequencing in order to describe the transcriptional response of a non-model fish, the Alpine whitefish Coregonus palaea, to infection, both in terms of host genes that are likely manipulated by the pathogen, and those involved in an early putative immune response. Embryos were produced in vitro, raised individually, and exposed at the late-eyed stage to a virulent strain of the opportunistic fish pathogen Pseudomonas fluorescens. The pseudomonad increased embryonic mortality and affected gene expression substantially. For example, essential, upregulated metabolic pathways in embryos under pathogen stress included ion binding pathways, aminoacyl-tRNA-biosynthesis, and the production of arginine and proline, most probably mediated by the pathogen for its proliferation. Most prominently downregulated transcripts comprised the biosynthesis of unsaturated fatty acids, the citrate cycle, and various isoforms of b-cell transcription factors. These factors have been shown to play a significant role in host blood cell differentiation and renewal. With regard to specific immune functions, differentially expressed transcripts mapped to the complement cascade, MHC class I and II, TNF-alpha, and T-cell differentiation proteins. The results of this study reveal insights into how P. fluorescens impairs the development of whitefish embryos and set a foundation for future studies investigating host pathogen interactions in fish embryos.

Redox Signaling by the RNA Polymerase III TFIIB-Related Factor Brf2.

TFIIB-related factor 2 (Brf2) is a member of the family of TFIIB-like core transcription factors. Brf2 recruits RNA polymerase (Pol) III to type III gene-external promoters, including the U6 spliceosomal RNA and selenocysteine tRNA genes. Found only in vertebrates, Brf2 has been linked to tumorigenesis but the underlying mechanisms remain elusive. We have solved crystal structures of a human Brf2-TBP complex bound to natural promoters, obtaining a detailed view of the molecular interactions occurring at Brf2-dependent Pol III promoters and highlighting the general structural and functional conservation of human Pol II and Pol III pre-initiation complexes. Surprisingly, our structural and functional studies unravel a Brf2 redox-sensing module capable of specifically regulating Pol III transcriptional output in living cells. Furthermore, we establish Brf2 as a central redox-sensing transcription factor involved in the oxidative stress pathway and provide a mechanistic model for Brf2 genetic activation in lung and breast cancer.

Characterization of a MAF1 knockout mouse model

L'ARN polymérase 3 transcrit un petit groupe de gènes fortement exprimés et impliqués dans plusieurs mécanismes moléculaires. Les ARNs de transfert ou ARNt représentent plus ou moins la moitié du transcriptome de l'ARN polymérase 3. Ils sont directement impliqués dans la traduction des protéines en agissant comme transporteurs d'acides aminés qui sont incorporés à la chaîne naissante de polypeptides. Chez des levures cultivées dans un milieu jusqu'à épuisement des nutriments, Maf1 réprime la transcription par l'ARN polymérase 3, favorisant ainsi l'économie énergétique cellulaire. Dans un modèle de cellules de mammifères, MAF1 réprime aussi la transcription de l'ARN polymérase 3 dans des conditions de stress, cependant il n'existe aucune donnée quant à son rôle chez un mammifère vivant. Pendant mon doctorat, j'ai utilisé une souris délétée pour le gène Maf1 afin de connaître les effets de ce gène chez un mammifère. Etonnamment, la souris Maf1-­‐/-­‐ est résistante à l'obésité même si celle-­‐ci est nourrie avec une nourriture riche en matières grasses. Des études moléculaires et de métabolomiques ont montré qu'il existe des cycles futiles de production et dégradation des lipides et des ARNt, ce qui entraîne une augmentation de la dépense énergique et favorise la résistance à l'obésité. En plus de la caractérisation de la souris Maf1-­‐/-­‐, pendant ma thèse j'ai également développé une méthode afin de normaliser les données de ChIP-­‐sequencing. Cette méthode est fondée sur l'utilisation d'un contrôle interne, représenté ici par l'ajout d'une quantité fixe de chromatine provenant d'un organisme différent de celui étudié. La méthode a amélioré considérablement la reproductibilité des valeurs entre réplicas biologiques. Elle a aussi révélé des différences entre échantillons issus de conditions différentes. Une occupation supérieure de l'ARN polymérase 3 sur les gènes Pol 3 chez les souris Maf1 KO entraîne une augmentation du niveau de précurseurs d'ARNt, ayant pour effet probable la saturation de la machinerie de maturation des ARNt. En effet, chez les souris Maf1 KO, le pourcentage d'ARNt modifiés est plus faible que chez les souris type sauvage. Ce déséquilibre entre le niveau de précurseurs et d'ARNt matures entraîne une diminution de la traduction protéique. Ces résultats ont permis d'identifier de nouvelles fonctions pour la protéine MAF1, comme étant une protéine régulatrice à la fois de la transcription mais aussi de la traduction et en étant un cible potentielle au traitement à l'obésité. -- RNA polymerase III (Pol 3) transcribes a small set of highly expressed genes involved in different molecular mechanisms. tRNAs account for almost half of the Pol 3 transcriptome and are involved in translation, bringing a new amino into the nascent polypeptide chain. In yeast, under nutrient deprivation, Maf1 acts for cell energetic economy by repressing Pol 3 transcription. In mammalian cells, MAF1 also represses Pol 3 activity under conditions of serum deprivation or DNA damages but nothing is known about its role in a mammalian organism. During my thesis studies, I used a Maf1 KO mouse model to characterize the effects of Maf1 deletion in a living animal. Surprisingly, the MAF1 KO mouse developed an unexpected phenotype, being resistant to high fat diet-­‐induced obesity and displaying an extended lifespan. Molecular and metabolomics characterizations revealed futile cycles of lipids and tRNAs, which are produced and immediately degraded, which increases energy consumption in the Maf1 KO mouse and probably explains in part the protection to obesity. Additionally to the mouse characterization, I also developed a method to normalize ChIP-­‐seq data, based on the addition of a foreign chromatin to be used as an internal control. The method improved reproducibility between replicates and revealed differences of Pol 3 occupancy between WT and Maf1 KO samples that were not seen without normalization to the internal control. I then established that increased Pol 3 occupancy in the Maf1 KO mouse liver was associated with increased levels of tRNA precursor but not of mature tRNAs, the effective molecules involved in translation. The overproduction of precursor tRNAs associated with the deletion of Maf1 apparently overwhelms the tRNA processing machinery as the Maf1 KO mice have lower levels of fully modified tRNAs. This maturation defect directly impacts on translation efficiency as polysomic fractions and newly synthetized protein levels were reduced in the liver of the Maf1 KO mouse. Altogether, these results indicate new functions for MAF1, a regulator of both transcription and translation as well as a potential target for obesity treatment.

Recombinant antigen-based immuno-slot blot method for serodiagnosis of syphilis

Three recombinant antigens of Treponema pallidum Nichols strain were fused with GST, cloned and expressed in Escherichia coli, resulting in high levels of GST-rTp47 and GST-rTp17 expression, and supplementation with arginine tRNA for the AGR codon was needed to obtain GST-rTp15 overexpression. Purified fusion protein yields were 1.9, 1.7 and 5.3 mg/l of cell culture for GST-rTp47, GST-rTp17 and GST-rTp15, respectively. The identities of the antigens obtained were confirmed by automated DNA sequencing using ABI Prism 310 and peptide mapping by Finningan LC/MS. These recombinant antigens were evaluated by immuno-slot blot techniques applied to 137 serum samples from patients with a clinical and laboratory diagnosis of syphilis (61 samples), from healthy blood donors (50 samples), individuals with sexually transmitted disease other than syphilis (3 samples), and from individuals with other spirochetal diseases such as Lyme disease (20 samples) and leptospirosis (3 samples). The assay had sensitivity of 95.1% (95% CI, 86.1 to 98.7%) and a specificity of 94.7% (95% CI, 87.0 to 98.7%); a stronger reactivity was observed with fraction rTp17. The immunoreactivity results showed that fusion recombinant antigens based-immuno-slot blot techniques are suitable for use in diagnostic assays for syphilis.

Ghrelin attenuates the growth of HO-8910 ovarian cancer cells through the ERK pathway

Ovarian cancer is one of the most common causes of death from gynecologic tumors and is an important public health issue. Ghrelin is a recently discovered bioactive peptide that acts as a natural endogenous ligand of the growth hormone secretagogue receptor (GHSR). Several studies have identified the protective effects of ghrelin on the mammalian reproductive system. However, little research has been done on the effects of ghrelin on ovarian cancer cells, and the underlying mechanisms of these effects. We sought to understand the potential involvement of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) in ghrelin-mediated inhibition of growth of the ovarian line HO-8910. We applied different concentrations of ghrelin and an inhibitor of the ghrelin receptor (D-Lys3-GHRP-6) to HO-8910 cells and observed the growth rate of cells and changes in phosphorylation of the MAPKs ERK1/2, JNK and p38. We discovered that ghrelin-induced apoptosis of HO-8910 cells was though phosphorylated ERK1/2, and that this phosphorylation (as well as p90rsk phosphorylation) was mediated by the GHSR. The ERK1/2 pathway is known to play an essential part in the ghrelin-mediated apoptosis of HO-8910 cells. Hence, our study suggests that ghrelin inhibits the growth of HO-8910 cells primarily through the GHSR/ERK pathway.

Isolation of DNA sequences with homology to a degenerate FaRP oligonucleotide from the crayfish Procambarus clarkii

The neuropeptide Th1RFamide with the sequence Phe-Met-Arg-Phe-amide was originally isolated in the clam Macrocallista nimbosa (price and Greenberg, 1977). Since its discovery, a large family ofFl\1RFamide-related peptides termed FaRPs have been found to be present in all major animal phyla with functions ranging from modulation of neuronal activity to alteration of muscular contractions. However, little is known about the genetics encoding these peptides, especially in invertebrates. As FaRP-encoding genes have yet to be investigated in the invertebrate Malacostracean subphylum, the isolation and characterization ofFaRP-encoding DNA and mRNA was pursued in this project. The immediate aims of this thesis were: (1) to amplify mRNA sequences of Procambarus clarkii using a degenerate oligonucleotide primer deduced from the common amino acid sequence ofisolated Procambarus FaRPS, (2) to determine if these amplification products encode FaRP gene sequences, and (3) to create a selective cDNA library of sequences recognized by the degenerate oligonucleotide primer. The polymerase chain reaction - rapid amplification of cDNA ends (PCR-RACE) is a procedure in which a single gene-specific primer is used in conjunction with a generalized 3' or 5' primer to amplify copies ofthe region between a single point in the transcript and the 3' or 5' end of cDNA of interest (Frohman et aI., 1988). PCRRACE reactions were optimized with respect to primers used, buffer composition, cycle number, nature ofgenetic substrate to be amplified, annealing, extension and denaturation temperatures and times, and use of reamplification procedures. Amplification products were cloned into plasmid vectors and recombinant products were isolated, as were the recombinant plaques formed in the selective cDNA library. Labeled amplification products were hybridized to recombinant bacteriophage to determine ligated amplification product presence. When sequenced, the five isolated PCR-RACE amplification products were determined not to possess FaRP-encoding sequences. The 200bp, 450bp, and 1500bp sequences showed homology to the Caenorhabditis elegans cosmid K09A11, which encodes for cytochrome P450; transfer-RNA; transposase; and tRNA-Tyr, while the 500bp and 750bp sequences showed homology with the complete genome of the Vaccinia virus. Under the employed amplification conditions the degenerate oligonucleotide primer was observed to bind to and to amplify sequences with either 9 or 10bp of 17bp identity. The selective cDNA library was obselVed to be of extremely low titre. When library titre was increased, white. plaques were isolated. Amplification analysis of eight isolated Agt11 sequences from these plaques indicated an absence of an insertion sequence. The degenerate 17 base oligonucleotide primer synthesized from the common amino acid sequence ofisolated Procambarus FaRPs was thus determined to be non-specific in its binding under the conditions required for its use, and to be insufficient for the isolation and identification ofFaRP-encoding sequences. A more specific primer oflonger sequence, lower degeneracy, and higher melting temperature (TJ is recommended for further investigation into the FaRP-encoding genes of Procambarlls clarkii.

Complete Genome Sequence of Erwinia amylovora Bacteriophage

The complete genome of an Erwinia amylovora bacteriophage, vB_EamM_Ea35-70 (Ea35-70), is 271,084 bp, encodes 318 putative proteins, and contains one tRNA. Comparative analysis with other Myoviridae genomes suggests that Ea35-70 is related to the Phikzlikevirus genus within the family Myoviridae, since 26% of Ea35-70 proteins share homology to proteins in Pseudomonas phage φKZ.

Caractérisation clinique et génétique d’une nouvelle forme d’ataxie autosomique récessive dans la population québécoise

Les ataxies autosomiques récessives sont un groupe de troubles neurologiques hétérogènes caractérisés par une incoordination brute des mouvements musculaires impliquant le dysfonctionnement nerveux du cervelet qui coordonne le mouvement. Plusieurs formes héréditaires ont été décrites dont la plus connue : l’ataxie de Friedriech. Dans cette thèse nous rapportons l'identification et la caractérisation d’une nouvelle forme dans la population québécoise. L’ataxie récessive spastique avec leucoencéphalopathie (ARSAL; aussi connue comme l’ataxie autosomique récessive spastique de type 3 (SPAX3); OMIM 611390) est la deuxième ataxie spastique décrite dans la population canadienne française. En effet, près de 50 % de nos cas sont originaires de la région de Portneuf. En 2006, nous avons décrit les caractéristiques cliniques de cette nouvelle forme d’ataxie. Un premier criblage du génome entier, constitué de plus de 500 marqueurs microsatellites, a permis la localisation du locus sur le chromosome 2q33-34. Suite au séquençage de plus de 37 gènes candidats et afin de rétrécir cet intervalle candidat, nous avons utilisé une micro-puce d’ADN constituée de marqueurs SNP «single nucleotide polymorphism» et nous avons identifié un deuxième intervalle candidat de 0.658Mb au locus 2q33 dans lequel se trouvent moins de 9 gènes. L’identification et la caractérisation de ces mutations a nécessité l’utilisation de diverses technologies de pointe. Trois mutations (une délétion et deux réarrangements complexes) dans le gène mitochondrial tRNA-synthetase (MARS2) ont été identifiées dans notre cohorte. Nous émettons l’hypothèse que la nature des mutations complexes est responsable d’un dérèglement de la transcription du gène, ce qui a un impact néfaste sur la fonction mitochondriale et le tissu neuronal.

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.

Supercomplexes multifonctionnels chez les mitochondries, et chez E. coli

Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale.

Riboswitches : le cas des atténuateurs de la transcription du type terminateur/antiterminateur chez les bactéries

Il est essentiel pour chaque organisme d’avoir la possibilité de réguler ses fonctions afin de permettre sa survie et d’améliorer sa capacité de se reproduire en divers habitats. Avec l’information disponible, il semble que les organismes consacrent une partie assez importante de leur matériel génétique à des fonctions de régulation. On peut envisager que certains mécanismes de régulation ont persisté dans le temps parce qu’ils remplissent bien leurs rôles. Les premières études sur les procaryotes ont indiqué qu’il y avait peu de mécanismes de régulation exerçant le contrôle des gènes, mais il a été démontré par la suite qu’une variété de ces mécanismes est utilisée pour la régulation de gènes et d’opérons. En particulier, les opérons bactériens impliqués dans la biosynthèse des acides aminés, l’ARNt synthétase, la dégradation des acides aminés, les protéines ribosomales et l’ARN ribosomal font l’objet d’un contrôle par l’atténuation de la transcription. Ce mécanisme d’atténuation de la transcription diffère d’autres mécanismes pour la génération de deux structures différentes de l’ARNm, où l’une de ces structures réprime le gène en aval, et l’autre permet de continuer la transcription/traduction. Dans le cadre de cette recherche, nous nous sommes intéressé au mécanisme d’atténuation de la transcription chez les procaryotes où aucune molécule ne semble intervenir comme facteur de régulation, en me concentrant sur la régulation des opérons bactériens. Le but principal de ce travail est de présenter une nouvelle méthode de recherche des riborégulateurs qui combine la recherche traditionnelle des riborégulateurs avec la recherche structurale. En incorporant l’étude du repliement de l’ARNm, nous pouvons mieux identifier les atténuateurs répondant à ce type de mécanisme d’atténuation. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente une revue de la littérature sur l’ARN et un survol sur les mécanismes de régulation de l’expression génétique chez les procaryotes. Les chapitres 2 et 3 sont consacrés à la méthodologie utilisée dans cette recherche et à l’implémentation du logiciel TA-Search. Enfin, le chapitre 4 expose les conclusions et les applications potentielles de la méthode.

Structural aspects of the ribosome evolution and function

Les résultats ont été obtenus avec le logiciel "Insight-2" de Accelris (San Diego, CA)

La RNase P mitochondriale chez Neurospora crassa

Résumé La Ribonucléase P (RNase P) est une enzyme principalement reconnue pour sa participation à la maturation en 5’des ARN de transfert (ARNt). Cependant, d’autres substrats sont reconnus par l’enzyme. En général, la RNase P est composée d’une sous-unité ARN (le P-ARN, codé par le gène rnpB) qui porte le centre actif de l’enzyme et d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques (la P-protéine). Les P-ARN chez toutes les bactéries, la majorité des archéobactéries et dans le génome nucléaire de la plupart des eucaryotes, possèdent généralement une structure secondaire très conservée qui inclut le noyau (P1-P4); l’hélice P4 constitue le site catalytique de l’enzyme et l’hélice P1 apparie les extrémités du P-ARN en stabilisant sa structure globale. Les P-ARN mitochondriaux sont souvent moins conservés et difficiles à découvrir. Dans certains cas, les seules régions de structure primaire qui restent conservées sont celles qui définissent le P4 et le P1. Pour la détection des gènes rnpB, un outil de recherche bioinformatique, basé sur la séquence et le profil de structure secondaire, a été développé dans le laboratoire. Cet outil permet le dépistage de toutes les séquences eucaryotes (nucléaires et mitochondriales) du gène avec une très grande confiance (basée sur une valeur statistique, E-value). Chez les champignons, plusieurs ascomycètes encodent un gène rnpB dans leur génome mitochondrial y compris tous les membres du genre d’Aspergillus. Cependant, chez les espèces voisines, Neurospora crassa, Podospora anserina et Sordaria macrospora, une version mitochondriale de ce gène n’existe pas. Au lieu de cela, elles contiennent deux copies nucléaires du gène, légèrement différentes en taille et en contenu nucléotidique. Mon projet a été établi dans le but d’éclaircir l’évolution de la RNase P mitochondriale (mtRNase P) chez ces trois espèces voisines d’Aspergillus. En ce qui concerne les résultats, des modèles de structures secondaires pour les transcrits de ces gènes ont été construits en se basant sur la structure consensus universelle de la sous-unité ARN de la RNase P. Pour les trois espèces, par la comparaison de ces modèles, nous avons établi que les deux copies nucléaires du gène rnpB sont assez distinctes en séquence et en structure pour pouvoir y penser à une spécialisation de fonction de la RNase P. Chez N. crassa, les deux P-ARN sont modifiés probablement par une coiffe et les extrémités 5’, 3’ sont conformes à nos modèles, ayant un P1 allongé. Encore chez N. crassa, nous avons constaté que les deux copies sont transcrites au même niveau dans le cytoplasme et que la plus petite et la plus stable d’entre elles (Nc1) se retrouve dans l’extrait matriciel mitochondrial. Lors du suivi du P-ARN dans diverses sous-fractions provenant de la matrice mitochondriale soluble, Nc1 est associée avec l’activité de la RNase P. La caractérisation du complexe protéique, isolé à partir de la fraction active sur un gel non dénaturant, révèle qu’il contient au moins 87 protéines, 73 d’entre elles ayant déjà une localisation mitochondriale connue. Comme chez la levure, les protéines de ce complexe sont impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires comme le processing de l’ADN/ARN, le métabolisme, dans la traduction et d’autres (par exemple : la protéolyse et le repliement des protéines, ainsi que la maintenance du génome mitochondrial). Pour trois protéines, leur fonction est non déterminée.