Etude du contrôle de la transcription envahissante par la terminaison de la transcription

Study of the pervasive transcription control by transcription termination

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Briand
• Direction : Domenico Libri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/06/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Gènes, Génomes, Cellules (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de génétique moléculaire (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Gautheret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Domenico Libri, Daniel Gautheret, Micheline Fromont-Racine, Antonin Morillon, Jessie Colin, Stéphane Marcand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Micheline Fromont-Racine, Antonin Morillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

ARN polymérase II

Facteurs de transcription

Transcription génétique

Mots clés libres

Transcription

Terminaison

Rap1

Nrd1

Nab3

SELEX

Roadblock

Saccharomyces cerevisiae

Transcription

Termination

Rap1

Nrd1

Nab3

SELEX

Roadblock

Saccharomyces cerevisiae

Résumé

La terminaison de la transcription est essentielle, aussi bien pour assurer la formation de l’extrémité 3’ de transcrits fonctionnels que pour éviter les phénomènes d’interférence transcriptionnelle entre des régions transcrites adjacentes. Ceci est particulièrement important dans un génome compact comme celui de S. cerevisiae. La terminaison est aussi l’une des stratégies principales que la cellule emploie pour contrôler et limiter la transcription dite envahissante ou cachée. Chez S. cerevisiae, l’ARN polymérase II est responsable de la transcription des ARNm et de nombreuses classes d’ARN non codants tels que les sn(o)ARN et les CUT (Cryptic Unstable Transcripts). Ces derniers représentent une fraction importante des transcrits issus de la transcription cachée. Il existe deux voies canoniques de terminaison de la transcription par cette polymérase. Elles font intervenir le complexe de clivage et de polyadénylation, CPF-CF, notamment pour la terminaison des ARNm ou le complexe NNS pour la terminaison des sn(o)ARN et des CUT. Au cours de ma thèse j’ai étudié deux aspects de la terminaison de la transcription : 1) l’étude des motifs de recrutement du complexe NNS et 2) l’identification et la caractérisation d’une nouvelle voie de terminaison par le facteur Rap1. Les complexes CPF-CF et NNS agissent tous les deux en liant le transcrit naissant et l’ARN pol II. Le complexe NNS lie l’ARN naissant grâce à ses sous-unités Nrd1 et Nab3 qui reconnaissent des motifs spécifiques. Cependant, bien que la séquence de ces motifs soit maintenant connue, leur présence ne permet pas de définir de façon certaine un terminateur. En effet, le nombre de ces motifs varie beaucoup d’un terminateur à l’autre. Afin de mieux comprendre la structure des terminateurs ciblés par le complexe NNS et l’organisation des motifs liés par Nrd1 et Nab3, j’ai recherché les séquences impliquées dans la terminaison d’un CUT modèle en réalisant une mutagenèse aléatoire et j’ai identifié par SELEX des motifs de fixation optimale du dimère Nrd1-Nab3. Un second volet de ma thèse porte sur la caractérisation d’une nouvelle voie de terminaison de la transcription dépendante du facteur Rap1. Rap1 est important pour la structure des télomères et c’est aussi un facteur de transcription ciblant des centaines de promoteurs. Il active ou réprime l’initiation de la transcription notamment en recrutant des complexes de remodelage de la chromatine sur les promoteurs ciblés. De façon surprenante, le motif de fixation de ce facteur a été identifié dans des séquences capables de terminer la transcription isolées au laboratoire. Mes travaux ont permis de caractériser le mécanisme de terminaison par Rap1 et de distinguer cette voie des voies de terminaison canoniques. Ce facteur, lié à l’ADN, agit comme une barrière en bloquant la progression de l’ARN polymérase II par un mécanisme de « road-block ». Les polymérases ainsi arrêtées sont ciblées par une voie qui permet leur élimination lorsqu’elles sont bloquées par des dégâts sur l’ADN, impliquant leur ubiquitination et vraisemblablement leur dégradation par le protéasome. Les ARN libérés sont polyadénylés par la poly(A)-polymérase Trf4 et dégradés par l’exosome nucléaire. Ce mécanisme de terminaison est utilisé dans un contexte naturel puisque j’ai identifié des transcrits endogènes de S. cerevisiae terminés par cette voie. Nous proposons que la terminaison par Rap1 contribue au contrôle de la transcription envahissante. Ce facteur assurerait ainsi au niveau des promoteurs qu’il lie une double fonction de facteur de transcription et de protection de ces promoteurs contre l’interférence transcriptionnelle.

Transcription termination is essential, both for the 3’ end formation of functional transcripts and to avoid transcriptional interference between adjacent transcription units. This is particularly important in a compact genome such as S. cerevisiae. Termination is also one of the main strategies used by the cell to control and limit the “pervasive” or “hidden” transcription. In S. cerevisiae, RNA pol II is responsible for the transcription of the mRNAs and numerous non-coding RNA families such as the sn(o)RNAs and the CUTs (Cryptic Unstable Transcripts). CUTs represent a large fraction of the “pervasive” or “hidden” transcription. There are two canonical transcription termination pathways for this RNA polymerase. They involve the cleavage and polyadenylation complex (CPF-CF), in particular for the mRNAs termination, or the NNS complex for sn(o)RNAs and CUTs termination. During my thesis I studied two aspects or the transcription termination: 1) the motifs involved in the NNS complex recruitment on RNA and 2) the identification and the characterization of a new termination pathway by Rap1. CPF-CF and NNS complex are both recruited on the nascent transcript and on the RNA pol II. The NNS complex binds the RNA through its subunits Nrd1 and Nab3 which recognize specific motifs. Nonetheless, even if these motif sequences are now known, their presence does not elicit the certain identification of NNS dependent terminators. To clarify the NNS dependent terminator structure and the organization of the motifs bound by Nrd1 and Nab3 I looked for the sequences involved in a specific CUT termination doing a random mutagenesis experiment and I identified by SELEX the Nrd1-Nab3 dimer optimal binding motifs. A second part of my thesis concerns the characterization of a new transcription termination pathway dependent on the Rap1 factor. Rap1 is important for the telomere structure and it is also a transcription factor that targets hundred of promoters. It activates or represses transcription initiation recruiting chromatin remodeling complexes on the targeted promoters. Surprisingly, the Rap1 binding motifs have been identified among sequences eliciting termination isolated in the laboratory. My work has led to the characterization of the termination mechanism by Rap1 and distinguished this pathway from the two canonical pathways. This factor, bound to DNA, acts as a barrier blocking the RNA pol II progression by a road-block mechanism. These arrested polymerases are targeted by a pathway responsible for the elimination of RNA pol II blocked by DNA damages, implying their ubiquitination and probably their degradation by the proteasome. The released RNAs are polyadenylated by the poly(A) polymerase Trf4 and degraded by the nuclear exosome. This termination mechanism is used in a natural context since I identified S. cerevisiae endogenous transcripts terminated by this pathway. We propose that the Rap1 termination contributes to the pervasive transcription control. This factor could elicit, on its bound promoters, a double function of both transcription factor and protection of these promoters against transcriptional interference.