Régulations de l’expression des gènes du Chloroplaste chez Chlamydomonas reinhardtii : ARN et Protéine

Regulation of chloroplast gene expression : RNA and Protein

• Auteur / Autrice : Matthieu Mustas
• Direction : Yves Choquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie du chloroplaste et perception de la lumière chez les micro-algues (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Devaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kamel Hammani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Livia Merendino, Etienne Delannoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression des gènes

ARN antisens

Régulation (biologie)

Chloroplastes

Plantes -- Régulation génétique

Mots clés libres

Régulation

Chloroplaste

Expression

ARN

Protéine

Gène

Regulation

Chloroplast

Expression

RNA

Protein

Gene

Résumé

Le chloroplaste, siège de la photosynthèse, dériverait d’un évènement d’endosymbiose. Une cyanobactérie aurait été capturée et domestiquée pour devenir l’organite étudié à ce jour. La domestication entraina un transfert d’une majorité de son matériel génétique vers le noyau le réduisant à des gènes photosynthétiques ou essentiels et la rendant dépendante de son hôte. Les fonctions du chloroplaste dépendent de l’import de protéines codées dans le noyau, et même l’expression de ses gènes est étroitement contrôlée de façon gène-spécifique par des facteurs codés par le noyau et importés dans l’organite agissant en trans (OTAF ou Organellar Trans-Acting factors), Ils permettent une régulation fine de l’expression car ils sont nécessaires pour la stabilité et la traduction des transcrits. Le chloroplaste conserve à la fois des caractéristiques procaryotiques, notamment sa machinerie d’expression, mais a également développé de nouveaux mécanismes de régulations de son expression pour s’adapter à son nouvel environnement. Ces nouvelles régulations sont illustrées dans cette thèse. Les ARN antisens (ARNas) sont un mécanisme important de régulation de l’expression des gènes chez les procaryotes, où la formation de duplexes avec les ARNm peut augmenter ou diminuer l’expression de ces derniers en impactant leur stabilité ou leur traduction. L’accumulation d’ARNas a été observée dans le chloroplaste, nous avons étudié leur possible potentiel régulateur en exprimant des ARNas artificiels ciblant différentes régions des transcrits pour étudier leur effet. Nous avons exploré l’importance d’une autre étape du métabolisme des ARNm, celle de leur maturation. Les transcrits du chloroplaste sont souvent synthétisés sous forme de transcrits précurseurs et leur forme mature est protégée des dégradations exonucléasiques par la fixation d’OTAF en 5’ et par une structure tige-boucle en 3’UTR. Nous avons observé pour le transcrit chloroplastique atpB, codant la sous-unité β de l’ATP synthétase, une corrélation entre les maturations en 5’ et en 3’. La forme précurseur serait caractéristique des transcrits complets permettant la synthèse d’une protéine entière. Pour explorer l’hypothèse d’une régulation de la traduction par la maturation des transcrits nous avons étudié les transcrits atpB en cours de traduction ainsi que l’effet de modification de ses extrémités. Concernant l’étape finale de l’expression, la traduction, nous nous sommes intéressés aux effets du réchauffement climatique, pour anticiper son impact écologique. Nous avons analysé l’impact d’un stress chaud sur la biogenèse du chloroplaste. Par des analyses de profilage ribosomique et de l’accumulation des transcrits et protéines, nous avons identifié une régulation spécifique de la traduction des certaines protéines photosynthétiques au début de l'acclimatation, réversible après trois heures. Après sa synthèse, une protéine photosynthétique codée dans le chloroplaste, doit être intégrée dans un complexe dont l’assemblage se réalise dans un ordre précis avec l’aide de facteurs. La caractérisation de mutants de facteurs impliqués dans différentes étapes d’assemblage du PSII par analyse de la synthèse protéique et par complexomique a montré un effondrement de la synthèse et/ou de la stabilité des protéines non assemblées et a permis d’identifier de nouveaux partenaires potentiels de l’assemblage du PSII.

The chloroplast, seat of photosynthesis, would derive from an endosymbiosis event. A cyanobacterium would have been captured and domesticated to become the organelle studied to date. Domestication led to a transfer of most of its genetic material to the nucleus reducing it to photosynthetic or essential genes and making it dependent on its host. The functions of the chloroplast depend on the import of proteins encoded in the nucleus, and even the expression of its genes is tightly controlled in a gene-specific way by factors encoded by the nucleus and imported into the organelle acting in trans (OTAF or Organellar Trans-Acting factors), They allow a fine regulation of the expression because they are necessary for the stability and translation of the transcripts. The chloroplast retains at the same time prokaryotic characteristics, in particular its expression machinery, but has also developed new mechanisms of regulation of its expression to adapt to its new environment. These new regulations are illustrated in this thesis. Antisense RNAs (asRNAs) are an important mechanism for regulating gene expression in prokaryotes, where the formation of duplexes with mRNAs can increase or decrease the expression of the latter by impacting their stability or translation. The accumulation of asRNAs has been observed in the chloroplast, we studied their possible regulatory potential by expressing artificial asRNAs targeting different regions of transcripts to study their effect. We explored the importance of another step in mRNA metabolism, that of mRNA maturation. Chloroplast transcripts are often synthesized as precursor transcripts and their mature form is protected from exonuclease degradation by the attachment of OTAF at the 5' and by a stem-loop structure at the 3'UTR. We observed for the chloroplast transcript atpB, encoding the ATP synthetase β subunit, a correlation between 5' and 3' maturation. The precursor form would be characteristic of complete transcripts allowing the synthesis of a whole protein. To explore the hypothesis of a regulation of translation by the maturation of the transcripts we studied the atpB transcripts during translation and the effect of modification of its ends. Concerning the final step of expression, translation, we were interested in the effects of global warming, to anticipate its ecological impact. We analyzed the impact of a hot stress on chloroplast biogenesis. By ribosomal profiling and transcript and protein accumulation analyses, we identified a specific regulation of the translation of some photosynthetic proteins at the beginning of acclimation, reversible after three hours. After its synthesis, a photosynthetic protein encoded in the chloroplast, must be integrated into a complex whose assembly is carried out in a precise order with the help of factors. The characterization of mutants of factors involved in different steps of PSII assembly by protein synthesis analysis and complexomics showed a collapse of the synthesis and/or stability of non-assembled proteins and allowed the identification of new potential partners of PSII assembly.