Etude de la régulation de l'expression des gènes par un ARN antisens

Régulation of gene expression by antisense RNA

• Auteur / Autrice : Stanislas Denoeux
• Direction : François Dautry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie : biologie-médecine-santé (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie et pharmacologie appliquée (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Karim Benihoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Dautry, Karim Benihoud, Yannick Andeol, Christophe Antoniewski, Claude Boucheix, Martin Dutertre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Andeol, Christophe Antoniewski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régulation génétique

ARN interférence

ARN antisens

Mots clés libres

Arn

ARN antisens

Régulation

Génétiques

Rna

RNA antisense

Silencing

Genetics

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les avancées du séquençage à haut débit ont permis de caractériser un grand nombre d’ARN non codant et d’établir l’existence de transcrits “antisens” pour de nombreux gènes chez les mammifères. Cependant leur rôle dans le contrôle de l’expression des gènes “sens” auxquels ils sont associés est encore très mal connu. Mes travaux ont porté sur la caractérisation de certains aspects du mécanisme d’action des longs ARN non codants. Ils reposent sur le développement d’une approche de constructions indicatrices fluorescentes dont l’expression est suivie par cytométrie en flux en présence ou non d’ARN “antisens”. Cette approche a le potentiel de mettre en évidence une régulation même si elle n’est présente que dans une sous population cellulaire. Une première série d’expériences a été réalisée en expression transitoire pour bénéficier d’un contexte chromatinien simplifié. Mais dans ce cas les silencing observés sont aussi actifs sur une construction contrôle, indiquant la mise en place d’une réponse non spécifique de séquence qui évoque la réponse de type interféron. Cependant, l’expression globale des gènes cellulaire n’est pas significativement affectée, indiquant une certaine spécificité de la réponse. Parmi les voies testées ni la kinase PKR, ni la RNaseL ou la voie de l’interférence par l’ARN ne peuvent rendre compte du silencing observé. Une des caractéristiques de cette régulation est qu’elle n’affecte pas les gènes intégrés au génome mais uniquement les gènes exprimés à partir d’une construction épisomale ce qui évoque des caractéristiques souhaitables pour un mécanisme antiviral. Cependant l’ampleur de cette réponse non spécifique empêche toute étude plus approfondie d’un mécanisme spécifique s’il existe. Mes travaux se sont alors portés sur l’étude de ces mêmes constructions en clone stable dans deux contextes différents pour l’expression de l’ARN antisens ; en cis ou en trans. Dans le cas de l’expression en trans, un ARN antisens sans séquence régulatrice particulière ne permet pas la mise en place d’un silencing. Cette observation est en accord avec le faible nombre de longs ARN antisens connus pour agir en trans dans la nature. Par contre l’expression en cis d’un ARN antisens peut conduire à un silencing spécifique. Cette organisation dans laquelle les gènes « sens » et « antisens » sont situés sur le même fragment d’ADN correspond à celle majoritairement observée pour les longs ARNs antisens dans la nature (cisNAT, cis Natural Antisense Transcripts). Cependant, mes travaux montrent que le silencing observé n’est pas stable dans le temps et disparaît dès lors que la transcription antisens cesse, indiquant l’absence d’une mémoire épigénétique. Un tel mode de régulation est compatible avec une interférence transcriptionnelle dans laquelle la transcription et non le produit ARN est la cause du silencing. Par ailleurs, j’ai observé un certain nombre de cas de co-régulation du transcrit sens et antisens ce qui traduit la possibilité d’activer en cis la transcription du gène cible par le promoteur de son ARN antisens. Ce phénomène est probablement facilité par la petite taille de nos constructions, mais cette dualité de réponse est en accord avec l’absence de corrélation (positive ou négative) entre l’expression des gènes et de leur transcrits antisens. L’ensemble de mes travaux montrent la faible capacité d’un ARN antisens à induire un silencing. L’approche développée doit donc permettre de rechercher des co-activateurs du silencing, par exemple en introduisant des sites de recrutement de complexes modificateurs de la chromatine.

During the last decade next generation sequencing has allowed the characterization of a large number of non-coding RNA and to establish that a majority of mammalian genes were also transcribed in the opposite orientation. However the functional significance of this antisense transcription is currently unclear.My work focused on the characterization of the regulatory potential of long non-coding RNA. It relied on the use of fluorescent reporter constructs, the expression of which in the presence or absence of antisense RNA is analyzed by flow cytometry. . This approach has the potential to uncover a regulation mechanism even if it takes place only in a subpopulation of cells.A first series of experiments has been realized by transient expression assays in order to benefit from a simplified chromatin context. However in this case the silencing associated with antisense transcripts is also active on control constructs, indicating that at least part of the response is not sequence specific suggesting the involvement of an interferon-type response. However, cellular gene expression is not significantly affected indicating some level of specificity. Among the investigated pathways, neither the PKR kinase, nor RNaseL or RNA interference pathway can account for the observed silencing. One of this regulation attributes is that it does not affect genes integrated in the genome but only genes expressed from episomes, a selectivity which would seem appropriate for an antiviral mechanism. Nevertheless the extent of this non-specific response impedes any further study on a specific mechanism, if it operates.My work then focused on the study of these reporter constructs after integration in the genome, antisense RNA being expressed in cis or in trans.In the case of trans expression, an antisense RNA devoid of any specific regulatory sequence does not allow the setting of a silencing. This observation is consistent with the low number of long antisense RNA known to act in trans in nature.On the other side, the cis expression of an antisense RNA can lead to a specific silencing. This organization in which “sense” and “antisense” genes are located in the same DNA fragment matches with the ones mostly observed for long antisense RNA in nature (cisNAT, cis Natural Antisense Transcripts). However, my work shows that the observed silencing is not stable over time and the effects terminate once antisense transcription stops, which indicates the absence of an epigenetic memory. This mode of regulation is compatible with a transcriptional interference in which transcription – and not its RNA product - is causing the silencing. Besides, I observed a certain number of sense and antisense transcript co-regulation cases highlighting the possibility to activate the transcription of the target gene by the promoter of its antisense RNA. This phenomenon is probably facilitated by the small size of our constructs, but this duality of response is in agreement with the lack of correlation (either positive or negative) between the expression of genes and their antisense transcripts.This study shows the limited capacity of an antisense RNA to induce a silencing. The developed approach should allow the search for silencing co-activators, for instance by introducing chromatin remodeling complexes recruitment sites.