Étude de la variante d’histone H2A.Z et du cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II chez Saccharomyces cerevisiae

La chromatine est plus qu’un système d’empaquetage de l’ADN ; elle est le support de toutes les réactions liées à l’ADN dans le noyau des cellules eucaryotes et participe au contrôle de l’accès de l’ARN polymérase II (ARNPolII) à l’ADN. Responsable de la transcription de tous les ARNm des cellules eucaryotes, l’ARNPolII doit, suivant son recrutement aux promoteurs des gènes, transcrire l’ADN en traversant la matrice chromatinienne. Grâce au domaine C-terminal (CTD) de sa sous-unité Rpb1, elle coordonne la maturation de l’ARNm en cours de synthèse ainsi que les modifications de la chromatine, concomitantes à la transcription. Cette thèse s’intéresse à deux aspects de la transcription : la matrice, avec la localisation de la variante d’histone H2A.Z, et la machinerie de transcription avec le cycle de phosphorylation du CTD de l’ARNPolII. Suivant l’introduction, le chapitre 2 de cette thèse constitue un protocole détaillé et annoté de la technique de ChIP-chip, chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Cette technique phare dans l’étude in vivo des phénomènes liés à l’ADN a grandement facilité l’étude du rôle de la chromatine dans les phénomènes nucléaires, en permettant de localiser sur le génome les marques et les variantes d’histones. Ce chapitre souligne l’importance de contrôles adéquats, spécifiques à l’étude de la chromatine. Au chapitre 3, grâce à la méthode de ChIP-chip, la variante d’histone H2A.Z est cartographiée au génome de la levure Saccharomyces cerevisiae avec une résolution d’environ 300 paires de bases. Nos résultats montrent que H2A.Z orne un à deux nucléosomes au promoteur de la majorité des gènes. L’enrichissement de H2A.Z est anticorrélé à la transcription et nos résultats suggèrent qu’elle prépare la chromatine pour l’activation des gènes. De plus H2A.Z semble réguler la localisation des nucléosomes. Le chapitre suivant s’intéresse à la transcription sous l’angle de la machinerie de transcription en se focalisant sur le cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II. Le domaine C-terminal de sa plus large sous-unité est formé de répétitions d’un heptapeptide YSPTSPS dont les résidus peuvent être modifiés au cours de la transcription. Cette étude localise les marques de phosphorylation des trois résidus sérine de manière systématique dans des souches mutantes des kinases et phosphatases. Nos travaux confirment le profil universel des marques de phosphorylations aux gènes transcrits. Appuyés par des essais in vitro, ils révèlent l’interaction complexe des enzymes impliqués dans la phosphorylation, et identifient Ssu72 comme la phosphatase de la sérine 7. Cet article appuie également la notion de « variantes » des marques de phosphorylation bien que leur étude spécifique s’avère encore difficile. La discussion fait le point sur les travaux qui ont suivi ces articles, et sur les expériences excitantes en cours dans notre laboratoire.

Phosphorylation du CTD de l'ARN polymérase II et impact de l'histone H2A.Z sur le positionnement des nucléosomes chez S. cerevisiae

La phosphorylation du domaine C-terminal de l’ARN polymérase II permet à ce complexe protéique d’exécuter la transcription des gènes, en plus de coupler à la transcription des événements moléculaires comme la maturation des ARNm. Mes résultats montrent que même si cette phosphorylation suit un patron similaire à l’ensemble des gènes, il existe des exceptions pouvant être dues à des mécanismes alternatifs de phosphorylation du CTD. Le présent ouvrage s’intéresse également au rôle qu’occupe la variante d’histone H2A.Z dans l’organisation de la chromatine. Des études précédentes on montré que le positionnement de certains nucléosomes le long de l’ADN serait influencé par H2A.Z et aurait une influence sur la capacité de transcrire les gènes. Par une approche génomique utilisant les puces à ADN, j’ai cartographié l’impact de la délétion de H2A.Z sur la structure des nucléosomes. Enfin, des résultats intéressants sur la dynamique d’incorporation de H2A.Z à la chromatine ont été obtenus.

Systematic analysis of protein complexes involved in the human RNA polymerase II machinery

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription.

Analyse de la localisation génomique et identification de nouvelles fonctions des sous-unités Rpb4/Rpb7 de l’ARN polymérase II et des facteurs TFIIF, TFIIS et UBR5

Grâce à un grand nombre d’études biochimiques, génétiques et structurales effectuées dans les dernières années, des avancements considérables ont été réalisés et une nouvelle vision du processus par lequel la machinerie transcriptionnelle de l’ARN polymérase II (Pol II) décode l’information génétique a émergé. De nouveaux indices ont été apportés sur la diversité des mécanismes de régulation de la transcription, ainsi que sur le rôle des facteurs généraux de transcription (GTFs) dans cette diversification. Les travaux présentés dans cette thèse amènent de nouvelles connaissances sur le rôle des GTFs humains dans la régulation des différentes étapes de la transcription. Dans la première partie de la thèse, nous avons analysé la fonction de la Pol II et des GTFs humains, en examinant de façon systématique leur localisation génomique. Les patrons obtenus par immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) des versions de GTFs portant une étiquette TAP (Tandem-Affinity Purification) indiquent de nouvelles fonctions in vivo pour certains composants de cette machinerie et pour des éléments structuraux de la Pol II. Nos résultats suggèrent que TFIIF et l’hétérodimère Rpb4–Rpb7 ont une fonction spécifique pendant l’étape d’élongation transcriptionnelle in vivo. De plus, notre étude amène une première image globale de la fonction des GTFs pendant la réaction transcriptionnelle dans des cellules mammifères vivantes. Deuxièmement, nous avons identifié une nouvelle fonction de TFIIS dans la régulation de CDK9, la sous-unité kinase du facteur P-TEFb (Positive Transcription Elongation Factor b). Nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction pour TFIIS, soit CDK9 et la E3 ubiquitine ligase UBR5. Nous montrons que UBR5 catalyse l’ubiquitination de CDK9 in vitro. De plus, la polyubiquitination de CDK9 dans des cellules humaines est dépendante de UBR5 et TFIIS. Nous montrons aussi que UBR5, CDK9 and TFIIS co-localisent le long du gène  fibrinogen (FBG) et que la surexpression de TFIIS augmente les niveaux d’occupation par CDK9 de régions spécifiques de ce gène, de façon dépendante de UBR5. Nous proposons que TFIIS a une nouvelle fonction dans la transition entre les étapes d’initiation et d’élongation transcriptionnelle, en régulant la stabilité des complexes CDK9-Pol II pendant les étapes précoces de la transcription.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

Characteristic bimodal profiles of RNA polymerase II at thousands of active mammalian promoters.

BACKGROUND: In mammals, ChIP-seq studies of RNA polymerase II (PolII) occupancy have been performed to reveal how recruitment, initiation and pausing of PolII may control transcription rates, but the focus is rarely on obtaining finely resolved profiles that can portray the progression of PolII through sequential promoter states. RESULTS: Here, we analyze PolII binding profiles from high-coverage ChIP-seq on promoters of actively transcribed genes in mouse and humans. We show that the enrichment of PolII near transcription start sites exhibits a stereotypical bimodal structure, with one peak near active transcription start sites and a second peak 110 base pairs downstream from the first. Using an empirical model that reliably quantifies the spatial PolII signal, gene by gene, we show that the first PolII peak allows for refined positioning of transcription start sites, which is corroborated by mRNA sequencing. This bimodal signature is found both in mouse and humans. Analysis of the pausing-related factors NELF and DSIF suggests that the downstream peak reflects widespread pausing at the +1 nucleosome barrier. Several features of the bimodal pattern are correlated with sequence features such as CpG content and TATA boxes, as well as the histone mark H3K4me3. CONCLUSIONS: We thus show how high coverage DNA sequencing experiments can reveal as-yet unnoticed bimodal spatial features of PolII accumulation that are frequent at individual mammalian genes and reminiscent of transcription initiation and pausing. The initiation-pausing hypothesis is corroborated by evidence from run-on sequencing and immunoprecipitation in other cell types and species.

Pivotal role for a tail subunit of the RNA polymerase II mediator complex CgMed2 in azole tolerance and adherence in Candida glabrata.

Antifungal therapy failure can be associated with increased resistance to the employed antifungal agents. Candida glabrata, the second most common cause of invasive candidiasis, is intrinsically less susceptible to the azole class of antifungals and accounts for 15% of all Candida bloodstream infections. Here, we show that C. glabrata MED2 (CgMED2), which codes for a tail subunit of the RNA polymerase II Mediator complex, is required for resistance to azole antifungal drugs in C. glabrata. An inability to transcriptionally activate genes encoding a zinc finger transcriptional factor, CgPdr1, and multidrug efflux pump, CgCdr1, primarily contributes to the elevated susceptibility of the Cgmed2Δ mutant toward azole antifungals. We also report for the first time that the Cgmed2Δ mutant exhibits sensitivity to caspofungin, a constitutively activated protein kinase C-mediated cell wall integrity pathway, and elevated adherence to epithelial cells. The increased adherence of the Cgmed2Δ mutant was attributed to the elevated expression of the EPA1 and EPA7 genes. Further, our data demonstrate that CgMED2 is required for intracellular proliferation in human macrophages and modulates survival in a murine model of disseminated candidiasis. Lastly, we show an essential requirement for CgMed2, along with the Mediator middle subunit CgNut1 and the Mediator cyclin-dependent kinase/cyclin subunit CgSrb8, for the high-level fluconazole resistance conferred by the hyperactive allele of CgPdr1. Together, our findings underscore a pivotal role for CgMed2 in basal tolerance and acquired resistance to azole antifungals.

Visualization of RNA polymerase II ternary transcription complexes formed in vitro on a Xenopus laevis vitellogenin gene.

Stable ternary transcription complexes assembled in vitro, using a HeLa whole-cell extract, have been isolated and visualized by electron microscopy. The formation of these stable complexes on the DNA fragment used as template, the 5' end region of the Xenopus laevis vitellogenin gene B2, depends on factors present in the whole-cell extract, RNA polymerase II and at least two nucleotides. Interestingly, bending in the DNA fragment was frequently observed at the binding site of RNA polymerase II. Dinucleotides that can prime initiation within a short sequence of approximately 10 contiguous nucleotides centered around the initiation site used in vivo, also favour the formation of stable complexes. In addition, pre-initiation complexes were isolated and it was shown that factors in the extract involved in their formation are more abundant than the RNA polymerase II molecules available for binding. The possible implication of this observation relative to the in vivo situation is discussed.

Genomic Study of RNA Polymerase II and III SNAP(c)-Bound Promoters Reveals a Gene Transcribed by Both Enzymes and a Broad Use of Common Activators.

SNAP(c) is one of a few basal transcription factors used by both RNA polymerase (pol) II and pol III. To define the set of active SNAP(c)-dependent promoters in human cells, we have localized genome-wide four SNAP(c) subunits, GTF2B (TFIIB), BRF2, pol II, and pol III. Among some seventy loci occupied by SNAP(c) and other factors, including pol II snRNA genes, pol III genes with type 3 promoters, and a few un-annotated loci, most are primarily occupied by either pol II and GTF2B, or pol III and BRF2. A notable exception is the RPPH1 gene, which is occupied by significant amounts of both polymerases. We show that the large majority of SNAP(c)-dependent promoters recruit POU2F1 and/or ZNF143 on their enhancer region, and a subset also recruits GABP, a factor newly implicated in SNAP(c)-dependent transcription. These activators associate with pol II and III promoters in G1 slightly before the polymerase, and ZNF143 is required for efficient transcription initiation complex assembly. The results characterize a set of genes with unique properties and establish that polymerase specificity is not absolute in vivo.

Hog1 bypasses stress-mediated down-regulation of transcription by RNA polymerase II redistribution and chromatin remodeling

Cells are subjected to dramatic changes of gene expression upon environmental changes. Stresscauses a general down-regulation of gene expression together with the induction of a set of stress-responsivegenes. The p38-related stress-activated protein kinase Hog1 is an important regulator of transcription uponosmostress in yeast. Genome-wide localization studies of RNA polymerase II (RNA Pol II) and Hog1 showed that stress induced major changes in RNA Pol II localization, with a shift toward stress-responsive genes relative to housekeeping genes. RNA Pol II relocalization required Hog1, which was also localized to stress-responsive loci. In addition to RNA Pol II-bound genes, Hog1 also localized to RNA polymerase III-bound genes, pointing to a wider role for Hog1 in transcriptional control than initially expected. Interestingly, an increasing association of Hog1 with stressresponsive genes was strongly correlated with chromatin remodeling and increased gene expression. Remarkably, MNase-Seq analysis showed that although chromatin structure was not significantly altered at a genome-wide level in response to stress, there was pronounced chromatin remodeling for those genes that displayed Hog1 association. Hog1 serves to bypass the general down-regulation of gene expression that occurs in response to osmostress, and does so both by targeting RNA Pol II machinery and by inducing chromatin remodeling at stressresponsive loci.

Genome-wide RNA polymerase II profiles and RNA accumulation reveal kinetics of transcription and associated epigenetic changes during diurnal cycles.

Interactions of cell-autonomous circadian oscillators with diurnal cycles govern the temporal compartmentalization of cell physiology in mammals. To understand the transcriptional and epigenetic basis of diurnal rhythms in mouse liver genome-wide, we generated temporal DNA occupancy profiles by RNA polymerase II (Pol II) as well as profiles of the histone modifications H3K4me3 and H3K36me3. We used these data to quantify the relationships of phases and amplitudes between different marks. We found that rhythmic Pol II recruitment at promoters rather than rhythmic transition from paused to productive elongation underlies diurnal gene transcription, a conclusion further supported by modeling. Moreover, Pol II occupancy preceded mRNA accumulation by 3 hours, consistent with mRNA half-lives. Both methylation marks showed that the epigenetic landscape is highly dynamic and globally remodeled during the 24-hour cycle. While promoters of transcribed genes had tri-methylated H3K4 even at their trough activity times, tri-methylation levels reached their peak, on average, 1 hour after Pol II. Meanwhile, rhythms in tri-methylation of H3K36 lagged transcription by 3 hours. Finally, modeling profiles of Pol II occupancy and mRNA accumulation identified three classes of genes: one showing rhythmicity both in transcriptional and mRNA accumulation, a second class with rhythmic transcription but flat mRNA levels, and a third with constant transcription but rhythmic mRNAs. The latter class emphasizes widespread temporally gated posttranscriptional regulation in the mouse liver.

Analyse des complexes protéiques interagissant avec la machinerie de l'ARN polymérase II dans les cellules humaines

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Étude structure / fonction des sous-unités catalytiques de l'ARN polymérase II

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.