Etude de cinétique de la traduction eucaryote à l'échelle de la molécule unique

par Nicolas Fiszman

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Nathalie Westbrook.

Soutenue le 18-10-2013

à Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry / Biophotonique (laboratoire) .

Le président du jury était Françoise Livolant.

Le jury était composé de Emmanuelle Schmitt, Karen Perronet.

Les rapporteurs étaient Giovanni Cappello, Emmanuel Margeat.


  • Résumé

    La synthèse des protéines est un mécanisme central de la vie cellulaire dont la compréhension est un enjeu du domaine biomédical. Les études en molécule unique permettent d’observer chaque système réactionnel individuellement et donnent accès à des évènements asynchrones difficilement observables en mesure d’ensemble, tels la traduction de protéines.Cette thèse présente les premiers résultats en molécule unique sur la traduction par un ribosome eucaryote (mammifère). Nous observons les systèmes traductionnels grâce à des marqueurs fluorescents liés à des oligonucléotides pouvant s’hybrider sur les séquences d’ARN traduites. L’observation de ces marqueurs est faite par microscopie de fluorescence en onde évanescente (TIRF), les ARN étant fixés sur une lamelle de microscope. En lisant l’ARN, le ribosome détache les marqueurs, et leurs instants de départs donnent des informations sur le passage du ribosome à différentes positions sur l’ARN. Cette méthode permet d’obtenir des données cinétiques sur un grand nombre de systèmes traductionnels en parallèle pouvant alors être interpolées par des lois de probabilité. Nous obtenons par cette méthode des mesures de la cinétique in vitro de l’élongation eucaryote et nous observons un délai dû à une initiation non-canonique. En effet, nous complexons le ribosome sur l’ARN grâce à une structure de type IRES. Dans nos conditions d’expérience, l’incorporation d’un acide aminé prend environ une seconde tandis que cette structure induit un retard à la traduction de plusieurs dizaines de secondes. Ces résultats ouvrent des perspectives d’étude cinétique dans des cas plus complexes tels le franchissement de structures secondaires de l’ARN.

  • Titre traduit

    Kinetic study of the eukaryotic translation at the single molecule scale


  • Résumé

    Protein synthesis is a central mechanism of cellular life and understanding it is a challenge in biomedical research. Single molecule studies permit each reactive system to be observed individually and provide access to asynchronous events difficult to observe in ensemble experiments, such as protein translation.This thesis presents the first results on single molecule eukaryotic (mammalian) translation. We observe the translational systems using fluorophores linked to oligonucleotides annealed to the RNA translated sequences. The observation of these fluorophores is done by total internal reflection fluorescence microscopy, the RNA being attached to a microscope slide. When reading the RNA, the ribosome unzips the fluorescent oligonucleotides and their departure times provide information about the position of the ribosome at different locations on the RNA strand. This method provides kinetic data on a large number of parallel translational systems that can be fitted using probability laws.With this method, we measure the in vitro kinetics of eukaryotic elongation and we reveal a delay due to a non-canonical initiation of the ribosome. Indeed, in our experiments, the ribosome is initially complexed on an RNA structure called Internal Ribosome Entry Site. In our experimental conditions, each incorporation of an amino acid in the nascent protein takes about one second while the IRES structure induces a delay of several tens of seconds on the first incorporation. These results open new perspectives for kinetic studies in more complex configurations such as the passage of the ribosome through RNA secondary structures.


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