Rôle de YTHDC1, lecteur nucléaire de la modification N6-méthyladénosine (m6A), dans la régulation de la réponse cellulaire au stress thermique

Role of YTHDC1, nuclear reader of N6-methyladenosine (m6A) RNA modification, in the regulation of the cellular heat stress response.

• Auteur / Autrice : Kalina Timcheva
• Direction : André Verdel, Daphné Seigneurin-Berny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Hainaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Verdel, Daphné Seigneurin-Berny, Ramesh Pillai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Mezger-Lallemand, Bertrand Séraphin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléosides

Thermorégulation

Maladies chromosomiques

Transcriptome

Mots clés libres

Ythdc1

Épitrasncriptome

Stress thermique

Régulation de l'expression des gènes

Ythdc1

Epitranscroptome

Heat stress

Gene expression regulation

Résumé

Au fil des années, de nombreuses études ont mis en évidence la capacité fascinante de la réponse au stress thermique à agir sur le génome et à contrôler de façon transitoire le protéome de la cellule afin de préserver la viabilité cellulaire dans un contexte environnemental défavorable. Néanmoins, la mise en œuvre et l'orchestration de cette réponse cellulaire cachent encore aujourd'hui des mystères. L'implication de la N6-méthyladénosine (m6A) - la modification interne de l'ARN la plus abondante - dans la régulation de l'expression des gènes en réponse au stress a été récemment découverte. Cependant, son importance, les fonctions associées et les mécanismes impliqués restent pas ou mal caractérisés.Au cours de ma thèse, j'ai étudié le rôle de la protéine YTHDC1, le principal lecteur nucléaire connu de m6A, dans la voie conservée de réponse cellulaire au choc thermique. Par conséquent, mon travail est à la croisée de deux axes de recherche principaux : le domaine émergent de l'épitranscriptome et le domaine déjà largement étudié de la biologie du stress. Lors de ce travail thèse, nous avons pu identifier le rôle central joué par YTHDC1, et par extension la signalisation m6A, dans la régulation de la réponse au stress thermique dans les cellules humaines. Tout d'abord, nous avons démontré que pendant la période de récupération, qui suit le choc thermique, YTHDC1 se relocalise dans des structures de stress caractéristiques et nucléaires, appelées « nuclear Stress Bodies » (nSB). Cette relocalisation repose sur la transcription de régions répétitives de l’hétérochromatine péricentrique qui produisent des ARN longs et non-codants, SATIII, qui sont au cœur de la formation des nSB. De manière intéressante, nous avons découvert qu'en se localisant au niveau des nSB, YTHDC1, tout comme les ARN SATIII, contribue à la régulation de l'épissage de potentiellement plusieurs centaines d'ARNm. Deuxièmement, en menant des expériences de ChIP-seq, nous avons découvert que, suite au stress thermique, YTHDC1 est recrutée sur des nouveaux sites génomiques. Nous avons notamment identifié de nombreux gènes codant pour les protéines de choc thermique (Heat Shock Proteins, HSP) comme étant des cibles de YTHDC1 en réponse à un stress thermique. Les analyses effectuées ont révélé que YTHDC1 est essentielle à l'induction de l'expression des HSP après un choc thermique. L'étude des fonctions moléculaires de YTHDC1 a montré que, en cas de stress thermique, la protéine régulerait la terminaison de la transcription des gènes HSP et l'export nucléaire de leurs ARNm. De plus, nous avons découvert, toujours en réponse au stress, que YTHDC1 est nécessaire pour maintenir la structure des Nuclear Speckles, qui sont des corps nucléaires contribuant au contrôle du métabolisme des ARNm. Enfin, l’importance de m6A pour les fonctions moléculaires et cellulaires de YTHDC1 a été abordée dans ce travail par l'établissement d'un modèle cellulaire modifié génétiquement. Cette approche a démontré que certains des rôles de YTHDC1 que nous avons identifiés sont liés à sa capacité à reconnaître la marque m6A.En conclusion, ce travail a permis de découvrir qu’un acteur de l'épitranscriptome, la protéine YTHDC1, est un régulateur nouveau et central de la réponse au choc thermique agissant à différents niveaux de la reprogrammation du génome induite par le stress. Nos résultats élargissent les connaissances actuelles sur la mise en œuvre de la voie de réponse au stress thermique par l'ajout d'un nouveau niveau de contrôle de l'expression génique et ouvrent de nombreuses opportunités pour des futures études.

Over the years numerous studies unraveled the fascinating ability of the heat stress response (HSR) to act on the genome and to transiently control the cell proteome in order to preserve cell viability in the context of hostile environments. Nevertheless, the implementation and orchestration of the HSR today still hide mysteries. The implication of N6-methyladenosine (m6A) -the most abundant internal RNA modification- in the regulation of gene expression in response to stress has been recently uncovered. Yet, its importance, the associated functions and the involved mechanisms remain poorly characterized.During my PhD thesis I have studied the role of the protein YTHDC1, the main known nuclear reader of m6A, in the conserved cellular stress response to heat shock (HS). Therefore, my thesis work is at the crossroad of two main research axes- the emerging field of the epitranscriptome and the broadly investigated domain of stress biology. In this work, we were able to identify the central role played by YTHDC1, and by extension of the m6A signaling, in the regulation of the HSR pathway in human cells. First, we have demonstrated that during the recovery period following HS YTHDC1 massively relocalizes to characteristic nuclear structures appearing upon stress, named nuclear Stress Bodies (nSBs). This striking relocalization relies on the transcription of repetitive pericentric heterochromatin regions that produces the lncRNAs SATIII, which are at the core of nSBs formation. Importantly, we found out that beyond localizing at nSBs, YTHDC1, together with SATIII lncRNAs, contributes to the stress-induced regulation of alternative splicing events of potentially several hundreds of mRNAs. Second, by conducting ChIP-seq experiments we discovered that, upon HS, YTHDC1 is recruited to new genomic sites. Noticeably, we identified many Heat Shock Protein (HSP)-coding genes to be targets of YTHDC1 upon stress. Follow-up analyses revealed that YTHDC1 is essential for the induction of HSPs expression following HS. The investigation of YTHDC1 molecular functions showed that, under heat stress, the protein may regulate proper transcription termination of HSP genes and the following nuclear export of their mRNAs. Moreover, we found that, in response to stress, YTHDC1 is required to maintain the structure of Nuclear Speckles, which are membrane-less bodies contributing to the control of mRNAs fate. Finally, m6A-dependency of YTHDC1 molecular and cellular functions was addressed in this work through the establishment of a genetically manipulated cellular model. This approach demonstrated that some of the roles of YTHDC1 that we identified are associated with its ability to recognize the m6A RNA mark.In conclusion, this work has uncovered the epitranscriptome reader YTHDC1 as a novel and central regulator of the HSR acting at various levels of the stress-induced genome reprogramming in human cells. Our findings expand the current knowledge on the implementation of stress responses with the addition of a broadly acting layer of gene expression control and open new area of research for future studies.