Tri sélectif et rôle tampon des condensats ARNm dans le contrôle stoichiométrique du transcriptome

Sorting and buffering within condensates control transcriptome stoichiometries

• Auteur / Autrice : Andres Hernan Cardona Echeverry
• Direction : Arnaud Hubstenberger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions Moléculaires et Cellulaires
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie Valrose (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Besse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Besse, Martine Simonelig, Elvan Böke, François Robin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Simonelig, Elvan Böke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcriptome

Démixtion

ARN messagers

Mots clés libres

Régulations post-Transcriptionnelles

ARNm

Nanoclusters

Séparation de phase

Tri sélectif

Effet tampon

Post-Transcriptional regulation

Mrna

Homotypic nanoclusters

Phase separation

Sorting

Buffering

Résumé

L'homéostasie cellulaire requiert un robuste contrôle de la concentration de ses composants moléculaires. La régulation de l'expression des gènes nécessite à elle seule la coordination de la stœchiométrie de millions de molécules d'ARNm face à des changements traductionnels dynamiques. Les ARN peuvent s'assembler pour condenser en des gouttelettes liquides, des hydrogels semi-liquides, ou même s'agréger et solidifier. Les bio-condensats qui résultent de ces transitions de phases des ARN peuvent tolérer de larges variations stœchiométriques dans leur composition. Si leur capacité à tamponner l'accumulation de protéines a récemment été débattue, leur impact sur les flux et la concentration des ARNm reste élusive, et cela malgré la corrélation, à l'échelle du transcriptome, entre la répression traductionnelle des ARNm et leur condensation cytosolique. De la molécule unique d'ARNm aux condensats, les différentes échelles d'organisation des ARN restent à être caractérisés d'un point de vue structurel et fonctionnel. Ici, nous combinons la purification et le séquençage des super-assemblages d'ARNs à l'imagerie molécule unique dans la lignée germinale de C. elegans. Nous avons modélisé de manière quantitative la réorganisation cytosolique du transcriptome lors de l'arrêt de l'ovogenèse. Les copies de séquences identiques d'un même ARNm fermement réprimées s'auto-assemblent entre elles pour former des nanoclusters. Différents nanoclusters peuvent eux-mêmes co-assembler en condensats compacts comprenant de multiples phases. L'auto-assemblage produit un mécanisme de tri sélectif par séparations de phase, mais tamponne également l'accumulation des ARNm en les séquestrant. Le partage coopératif d'un nombre limité de répresseurs de la traduction entre les ARNm d'un même condensat empêche la déplétion de ces répresseurs du cytosol où ils contrôlent la traduction. Le contrôle de la stoichiométrie du transcriptome résulte de l'effet combiné du tri sélectif des ARNm et de l'effet tampon dans les condensats multi-phases. L'autonomie du tri individuel par auto-assemblage en clusters homotypiques, associée à la coopération du co-assemblage entre les divers clusters d'un même condensat, fournit un contrôle sélectif et robuste que nous avons appelé stoichiostasis. Nous définissons une nouvelle échelle d'organisation du transcriptome : le nanocluster. Les nanoclusters régulent la stœchiométrie relative ARN-ARN, tandis que les condensats macroscopiques contrôlent la stoechiométrie ARN-protéine.

Cellular homeostasis requires the robust control of biomolecule concentrations. Gene regulation alone necessitates millions of mRNA molecules to coordinate their stoichiometry in the face of dynamic translational changes. RNAs can co-assemble into liquid droplets, semi-liquid hydrogels, or solidify into glass or crystal-like forms to concentrate and phase separate into bio-condensates that tolerate large stoichiometric variations in their composition. Their ability to buffer protein accumulations has been recently debated, and their impact on mRNA fluxes and concentrations remains elusive despite the transcriptome-wide association of translation repression with cytosolic condensation. From single mRNAs to macroscopic condensates, the various structural scales of RNA organization are yet to be uncovered and mapped to functionalities. Here, we combined the purification-sequencing of RNA super-assemblies with single-molecule RNA imaging in C. elegans germlines. We quantitatively modeled the cytosolic reorganization of the transcriptome upon oogenesis arrest. Tightly repressed mRNA copies of same sequence identity self-assembled into nanoclusters that, upon quiescence, further co-assembled into super-compacted multiphase condensates. Self-assemblies not only sorted through phase separations, but also buffered, accumulating repressed mRNAs through sequestration. At mesoscale, the cooperative sharing of limiting translation repressors between mRNAs prevented the disruption of RNA:regulator stoichiometry in the cytosol, where translation control occurs. Transcriptome-wide stoichiometric control emerges from mRNA self-sorting and buffering in multiphase super-assemblies. Self-sorting autonomy coupled to co-assembly cooperativity provides selective and robust stoichiometric control, we term stoichiostasis. We define a new transcriptome organization scale, the nanocluster. Nanoclusters regulate RNA-RNA relative stoichiometry, while mesoscale condensates provide RNA-protein stoichiometric control.