Analyse du rôle de la terminaison de la transcription des ARN non-codants dans la régulation de l’expression des gènes

Analysis of the role of non-coding transcription termination in the regulation of gene expression

• Auteur / Autrice : Noûhou El Moctar Haidara
• Direction : Odil Porrua
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 18/02/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Julie Soutourina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Stutz, Gwenaël Badis-Bréard, Lionel Bénard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Françoise Stutz, Gwenaël Badis-Bréard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcription génétique

Zinc

Phosphorylation

Hélicases

Mots clés libres

Sen1

ARN non-Codant

Terminaison de la transcription

Expression des gènes

Sen1

Non-Coding RNA

Transcription termination

Gene regulation

Résumé

La transcription pervasive est un phénomène universel et constitue une source importante d’ARN non-codants. Elle peut s’s’interférer avec l’expression normale des gènes. Cependant,la transcription pervasive peut aussi jouer un rôle dans la régulation de l’expression des gènes en favorisant la répression des gènes spécifiques par un mécanisme d’interférence transcriptionnelle. L’efficacité de la terminaison de la transcription non-codante peut fortement influencer sa capacité de réguler l’expression des gènes voisins. Cependant, à ce jour, il n’est pas clair s’il existe des mécanismes qui modulent l’efficacité de la terminaison non-codante en réponse aux signaux environnementaux afin de réguler l’expression des gènes. Durant ma thèse, j’ai abordé cette question en me focalisant sur la régulation de l’hélicase Sen1, un facteur clé de la terminaison de la transcription non-codante chez S. cerevisiae.Dans un premier temps, nous avons identifié une phosphorylation sur une thréonine conservée située dans le domaine catalytique de Sen1 et nous avons montré que cette phosphorylation réduit la capacité de liaison de Sen1 à l’ARN et par conséquent affecte la terminaison de la transcription non-codante. Par la suite, nous avons réalisé des analyses transcriptomiques à haute résolution et montré que cette phosphorylation conduit à la répression de l’expression de ZAP1 codant pour le régulateur central de la réponse au zinc par interférence transcriptionnelle via un ARN non-codant que nous avons baptisé ZRN1(Zap1 Repressor Non-coding gene 1). En plus, de nombreux gènes supplémentaires présentent un profil d’expression imitant les conditions d’excès de zinc où l’expression de ZAP1 est naturellement réprimée, suggérant que la phosphorylation de Sen1 pourrait participer à la régulation de l’expression des gènes impliqués dans l’homéostasie du zinc. Dans un second temps, en collaboration avec le laboratoire de F. Posas (IRB, Barcelone, Espagne), nous avons identifié des résidus de Sen1 qui peuvent être phosphorylés in vitropar la MAP kinase Hog1, un régulateur clé de la réponse au stress osmotique. Nous avons réalisé des analyses transcriptomiques et montré que certains gènes non-codants cibles de Sen1 sont affectés dans la terminaison de la transcription en condition de stress osmotique. Ces défauts de terminaison sont parfois accompagnés de la répression des gènes en aval ouen antisens et donc, pourraient potentiellement être impliqués dans la régulation de ces gènes en réponse au stress. Nos analyses protéomiques ont indiqué une diminution de l’interaction de Sen1 avec le complexe « Mediator » dans la même condition. Ces résultats nous permettent d’imaginer que les défauts de terminaison en condition de stress osmotique pourraient être provoqués par une diminution de l’efficacité de recrutement de Sen1 par le complexe médiateur. Ces résultats bien que préliminaires, pourraient suggérer l’implication de Sen1 dans la régulation de l’expression des gènes dans la réponse au stress osmotique. Enfin, nous avons analysé le rôle de l’interaction Sen1 avec la phosphatase Glc7, une protéine impliquée dans la terminaison de la transcription de certains gènes non-codants. Nous avons délété le motif d’interaction de Glc7 dans la protéine Sen1 et montré que cette interaction semble être importante pour la terminaison d’un nombre très restreint d’ARN non-codants. Nous avons ensuite montré que la perte de l’interaction de Sen1 avec Glc7 est associée à une augmentation de son interaction avec Nrd1 et Nab3, deux protéines qui interagissent aussi bien avec Sen1 qu’avec les ARN cibles de Sen1. Ces données suggèrent que Glc7 pourrait participer au relâchement de Sen1 de Nrd1 et Nab3 au niveau de certains.

Pervasive transcription is a universal phenomenon that leads to the production of amultitude of non-coding RNAs. If left uncontrolled, pervasive transcription can bepotentially deleterious for normal gene expression. However, non-coding transcription canalso play important regulatory roles, for instance by promoting the repression of specificgenes by a mechanism of transcriptional interference. The efficiency of transcriptiontermination can strongly influence the regulatory capacity of non-coding transcriptionevents, yet very little is known about the mechanisms modulating the termination of non-coding transcription in response to environmental cues.During my PhD I have addressed this question by investigating the mechanisms thatregulate the activity of the main actor in termination of non-coding transcription in S.cerevisiae, the helicase Sen1. We have identified a phosphorylation at a conservedthreonine of the catalytic domain of Sen1 and we have shown that this phosphorylationreduces the efficiency of Sen1-mediated termination by interfering with Sen1 interactionwith the RNA. Interestingly, we have found that this phosphorylation impairs terminationat an unannotated non-coding gene just upstream of the gene encoding the masterregulator of Zn homeostasis, Zap1, and thus, repression of ZAP1 expression bytranscriptional interference. We have named this non-coding gene ZRN1 for Zap1Repressor Non-coding gene 1. Furthermore, we have found that many additional genesexhibit an expression pattern mimicking conditions of Zn excess, where ZAP1 is naturallyrepressed. Taken together, our results support the idea that Sen1 phosphorylation couldbe involved in the regulation of the expression of genes involved in zinc homeostasis. In parallel, in collaboration with the laboratory of F. Posas (IRB, Barcelona, Spain), wehave identified several residues that can be phosphorylated in vitro by the MPK Hog1, themaster regulator of the osmotic stress response. We have performed high-resolutiontranscriptomic analyses and we have shown that certain Sen1-dependent non-codinggenes exhibit impaired transcription termination under osmotic stress. Interestingly, insome cases these termination defects occur concomitantly with the repression ofdownstream or antisense protein-coding genes, suggesting a possible implication in theregulation of these genes in response to stress. Our proteomic analyses indicated adecrease in the interaction of Sen1 with the mediator complex in the same conditions.These results suggest that the termination defects observed under osmotic stress mightbe due to a decrease in the recruitment of Sen1 by the mediator complex. Thesepreliminary data suggest a possible role for Sen1 in the regulation of gene expression inthe response to osmotic stress. Finally, we analyzed the role of the interaction of Sen1 with the Glc7 phosphatase, an essential protein that has previously been implicated in transcription termination at a subset of non-coding genes. We have deleted the Glc7 interaction motif in Sen1 and we have shown that this interaction is important for transcription termination at a small subset of non-coding genes. In addition, we have shown that the loss of Sen1 interaction with Glc7 is associated with an increase in the interaction with of Sen1 with Nrd1 and Nab3, two proteins that interact with both Sen1 and Sen1 target RNAs. These data suggest that Glc7 may modestly participate in the release of Sen1 from Nrd1 and Nab3 tothe RNA, which might allow more efficient transcription termination by Sen1 in some cases.