Rôle de la dimérisation de Mmi1, protéine à domaine YTH liant l'ARN, dans la répression chromatinienne et multimodale de l’expression génique

Role of Mmi1 YTH RNA-binding protein dimerization in the regulation of chromatin-associated and multi-modal gene silencing

• Auteur / Autrice : Auriane Rakitch
• Direction : André Verdel, Daniel Perazza, Leila Todeschini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement oncogenèse
• Date : Soutenance le 10/11/2023
• 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 : Winfried Weissenhorn
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ramesh Pillai, Pei-Yun Jenny Wu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromatine

Dimérisation

Mots clés libres

Protéine YTH

Protéine liant l'ARN

Répression de l'expression génique

Chromatine

Co-Transcriptionnel

Dimérisation

YTH protein

RNA-Binding protein

Gene silencing

Chromatin

Co-Transcriptional

Dimerization

Résumé

La régulation de l’expression des gènes, processus durant lequel l’ADN est transcrit en ARN messager qui est ensuite traduit en protéine, est au cœur des processus essentiels à la vie cellulaire, à l’adaptabilité aux stress environnementaux, à la prolifération et à la différentiation. Au cours des deux dernières décennies, l’ARN s’est révélé être, en plus, un acteur majeur de la régulation de l’expression génique, en particulier dans l’environnement de la chromatine. Toutefois, les modes de régulation mis en jeu et leur coordination restent en grande partie à définir. Mon projet de thèse s’est concentré sur ces aspects chez la levure à fission Schizosaccharomyces pombe, un organisme de référence dans ce domaine recherche.Chez S. pombe, la protéine de liaison à l’ARN Mmi1 contrôle l’entrée et la progression de la différenciation sexuelle, en réprimant l’expression de gènes liés à ce processus durant le cycle végétatif. La protéine Mmi1 agit aussi bien à la chromatine que dans le nucléoplasme. Elle est l’unique représentante de la famille des protéines de liaison à l’ARN à domaine YTH, protéines conservées chez la majorité des eucaryotes. Par l’intermédiaire de son domaine YTH, Mmi1 se lie avec une grande spécificité à ses ARN cibles et induit un « silencing » de l’expression de leur gène à plusieurs niveaux. En effet, la liaison de Mmi1 aux ARN en cours de synthèse induit la formation d’hétérochromatine, la terminaison de transcription, leur dégradation et un blocage de leur export vers le cytoplasme. Comment la liaison de Mmi1 à l’ARN induit-elle et coordonne-t-elle ces régulations chromatiniennes, co-transcriptionnelles et post-transcriptionnelles pour réprimer efficacement l’expression génique ? Cette question a été au centre de mon projet de thèse. Je me suis tout particulièrement intéressée à définir le rôle de la dimérisation de Mmi1 et de la machinerie qu’elle recrute à l’ARN.Les travaux entrepris ont ainsi permis de définir le rôle de la protéine Erh1 – fortement conservée au cours de l’évolution et qui permet la dimérisation de Mmi1 – dans la mise en place du « silencing » multimodal induit par Mmi1. Ces travaux démontrent le rôle essentiel de la dimérisation de Mmi1 dans le recrutement ARN-dépendant de Mmi1 à la chromatine, dans la formation d’hétérochromatine et dans la répression co-transcriptionnelle. Ils révèlent par ailleurs que Mmi1 induit également de la rétention d’introns au niveau de ses ARNs cibles et que Erh1 et la dimérisation de Mmi1 médiée par Erh1 jouent un rôle critique dans cette nouvelle fonction répressive. En parallèle, j’ai identifié un domaine d’homodimérisation au sein de Mmi1 et montré son rôle essentiel dans la sélectivité du « silencing » chromatinien de l’expression génique. Enfin, j’ai contribué à montrer que, au-delà de la simple dimérisation de Mmi1, la machinerie de dégradation des ARN, recrutée à l’ARN par Mmi1, dimérise également. Cependant, l’inhibition de cette dimérisation à elle seule n’a pas d’effet majeur sur la mise sous silence de l’expression génique induite par Mmi1.L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la dimérisation de Mmi1 pour sa localisation à la chromatine et pour la répression chromatinienne et co-transcriptionnelle qu’elle induit en se liant aux ARN naissants. Ils soulèvent la question de la conservation des mécanismes identifiés au cours de l’évolution au sein de la famille de protéines YTH. Plus généralement, ils mettent en lumière l’importance que la dimérisation de protéines liant l’ARN peut avoir dans leur adressage à la chromatine, dans la régulation chromatinienne et co-transcriptionnelle de l’expression génique et dans la régulation de processus biologiques fondamentaux comme la différenciation cellulaire.

The regulation of gene expression, a process during which DNA is transcribed into messenger RNA which is then translated into protein, plays a central role in processes essential for cell life, adaptability to environmental stresses, proliferation and differentiation. Over the past two decades, RNA has also emerged as a major player in the regulation of gene expression, particularly in the chromatin environment. However, the modes of regulation involved and their coordination remain largely undefined. My thesis project focused on these aspects in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, a reference organism in this field of research.In S. pombe, the RNA-binding protein Mmi1 controls the entry and progression of sexual differentiation, by repressing the expression of genes related to this process, during the vegetative cycle. Mmi1 protein involves its action both at chromatin and in the nucleoplasm. It is the only representative of the YTH-domain family of RNA-binding proteins, proteins present in the majority of eukaryotes. Through its YTH domain, Mmi1 binds with high specificity to its RNA targets and induces a multi-modal silencing of their gene expression. Indeed, Mmi1 binding to RNA under synthesis induces heterochromatin formation, transcription termination, their degradation and the inhibition of their export to the cytoplasm. How does Mmi1 binding to RNA induce and coordinate these chromatin, co-transcriptional and post-transcriptional regulations to effectively repress gene expression? This question was at the heart of my thesis project. I was particularly interested in defining the role of Mmi1 dimerization and the machinery it recruits to RNA.The work undertaken has detailed the critical function of the highly conserved Erh1 protein, which enables Mmi1 dimerization, in setting up the multi-modal silencing induced by Mmi1 binding to RNA. Noticeably, this work demonstrates the essential role of Mmi1 dimerization mediated by Erh1 in the RNA-dependent recruitment of Mmi1 to chromatin, in heterochromatin formation and in co-transcriptional repression. It further reveals that Mmi1 also induces intron retention at its RNA targets and that Erh1 and Mmi1 Erh1-mediated dimerization are required for this novel repressive function. In parallel, I identified a homodimerization domain within Mmi1 and demonstrated its essential role in regulating the selectivity of its chromatin gene silencing. Finally, I helped to show that, beyond the simple dimerization of Mmi1, the RNA degradation machinery recruited to RNA by Mmi1 also dimerizes. However, inhibition of this dimerization alone has no major effect on Mmi1-induced silencing of gene expression.Taken together, these results demonstrate the importance of Mmi1 dimerization for its localization to chromatin and for the various chromatin and co-transcriptional repression processes it induces by binding to nascent RNAs. They raise the question of the conservation of the identified mechanisms during evolution within the YTH protein family. More generally, they highlight the importance that dimerization of RNA-binding proteins can have in their localization to chromatin, in the chromatinian and co-transcriptional regulation of gene expression and in the control of fundamental biological processes such as cell differentiation.