Importance des interactions protéine-protéine et de la phosphorylation dans le nonsense-mediated mRNA decay (NMD)

Impact of protein-protein interactions and phosphorylation on RNA decapping for nonsense mediated mRNA decay (NMD)

• Auteur / Autrice : Agathe Gilbert
• Direction : Cosmin Saveanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité Génétique des Interactions Macromoléculaires
• Jury : Président / Présidente : Lionel Bénard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Weil, Francesca Fiorini, Florian Heyd
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shintaro Iwasaki, Sutapa Chakrabarti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines kinases

Détérioration

ARN messagers

Phosphorylation

Interactions protéine-protéine

Mots clés libres

Phosphorylation

Protéine

NMD

Phosphorylation

Protein

NMD

Résumé

Chez Saccharomyces cerevisiae, la voie de dégradation majoritaire des ARN messagers passe par le clivage de la liaison pyrophosphate entre l’ARNm et la structure de la coiffe à l’extrémité 5’. Cette étape, importante pour la dégradation de l’ensemble des ARNm, est particulièrement clé dans la dégradation d’une classe d’ARN instables, cibles de la voie de dégradation nommée nonsense-mediated mRNA decay (NMD). Cette-dernière permet la dégradation de transcrits contenant un codon STOP prémature et donc dépend de la traduction. D’abord considérée comme une voie de dégradation présente à travers les eucaryotes à cause de la grande conservation de ses facteurs principaux – les protéines Upf -, la découverte des protéines Smg dans C. elegans (Page et al., 1999) et la description du mécanisme SURF/DECID dépendant de la phosphorylation d’Upf1 (Kashima et al., 2006) semblaient indiquer des différences majeures entre les organismes. Récemment, notre laboratoire a décrit l’architecture des complexes NMD chez la levure. Ces-derniers sont centrés autour d’Upf1 et ont été nommés Détecteur et Effecteur. Dans le second, nous avons pu identifier la protéine kinase Hrr25 comme un membre du complexe Upf1 avec les protéines du decapping, Dcp2, Dcp1 et Edc3 (Dehecq et al., 2018). Cette protéine conservée est l’analogue des caséines kinases 1 chez l’humain - CK1delta and CK1epsilon - et elle est impliquée dans de nombreux processus majeurs de la cellule, comme la modification des ARNt, la biogénèse des ribosomes, l’élongation de la transcription et la méiose (Abdel-Fattah et al., 2015 ; Ghalei et al., 2015 ; Ye et al., 2016 ; Nemec et al., 2019). J’ai montré que l’activité kinase de Hrr25 a un rôle dans le NMD qui est indépendant de ses fonctions dans la traduction de l’ARNm mais aussi dans la transcription de l’ADN. Nous avons aussi montré que l’association de Hrr25 avec Upf1 s’appuie sur l’activité kinase de Hrr25 et sur la présence de la protéine portant l’activité decapping, Dcp2. Nous avons pu identifier des résidus Sérine très conservées dans la région C-terminal d’Upf1 levure dont la phosphorylation dépend de Hrr25 et dont la régulation, à l’image de celle impliquée dans d’autres organismes, dépend de la présence d’autres facteurs NMD comme Upf2 et Ebs1 (l’équivalent de Smg5/7). Ces résultats indiquent que les protéines kinase peuvent moduler le NMD par des interactions directes avec les enzymes impliquées dans la dégradation des ARN. Ils suggèrent également que, contrairement à ce que l’on pouvait croire, des protéines kinase sont requises de manière universelle pour le NMD.

In yeast, mRNA degradation is mainly initiated through the cleavage of the pyrophosphate bond between the mRNA and the cap structure at its 5’-end. While this step is important for the decay of most mRNAs, it is particularly critical to initiate the degradation of unstable RNA, targets of the NMD machinery. This pathway allows degradation of transcripts that contain a premature termination codon and thus is entirely dependent on translation. First considered as conserved throughout eucaryotes due to high sequence similarity of its core factors – the Upf proteins -, the discovery of the Smg proteins in C. elegans (Page et al., 1999) and the description of the SURF/DECID mechanism depending on phosphorylation of Upf1 (Kashima et al., 2006) indicated a divergence of NMD mechanisms between organisms. However, recently our laboratory described two NMD complexes revolving around Upf1 – named Detector and Effector - and identified the protein kinase Hrr25 as a member of a Upf1-decapping complex (Dehecq et al., 2018). The conserved protein kinase Hrr25 is the yeast equivalent of mammalian casein kinase 1 (CK1delta and CK1epsilon) and is involved in major cellular processes, including tRNA modification, ribosome biogenesis, transcription elongation and meiosis (Abdel-Fattah et al., 2015; Ghalei et al., 2015; Ye et al., 2016; Nemec et al., 2019). I demonstrated that the Hrr25 kinase activity has a role in NMD that is independent of its function in mRNA translation and DNA transcription. The association of Hrr25 to Upf1 was dependent on the kinase activity of the protein and on the presence of the decapping enzyme Dcp2. We identified conserved serine residues located in the C-terminal region of yeast Upf1 whose phosphorylation was dependent on Hrr25 and was modulated, like the phosphorylation of Upf1 in other organisms, by the presence of other NMD factors, such as Upf2 and Ebs1 (SMG5/7 equivalent). These results indicate that protein kinases can modulate NMD by direct interactions with the enzymes involved in RNA degradation and suggest that, contrary to previous beliefs, protein kinases are universally required for NMD.