Modélisation de la diffusion moléculaire dans le noyau et son rôle dans la régulation des gènes

Modelling molecular diffusion in the nucleus and its role in gene regulation

• Auteur / Autrice : Karen Amaral de Oliveira
• Direction : Nacho Molina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des systèmes
• Date : Soutenance le 17/03/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Annick Dejaegere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mario Nicodemi, Kim Sneppen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions protéine-protéine

Transcription génétique

Facteurs de transcription

Mots clés libres

Recherche par les FTs

Interactions Protéine-Protéine

Recrutement de l’ARNP

Exportation d'ARNm

Modèle mathématique

Structure de la chromatine

TF search

Protein-protein Interactions

RNAP recruitment

MRNA export

Mathematical model

Chromatin structure

Résumé

La diffusion des facteurs de transcription (FTs) dans le noyau joue un rôle crucial dans la régulation transcriptionnelle. La recherche par les TF d'une séquence d'ADN spécifique est l'un des principaux facteurs de l'expression des gènes. Ainsi, les interactions entre deux FTs dues à de faibles interactions protéine-protéine (IPPs) forment des clusters de FTs, influençant leur occupation à un site cible particulier. Pour comprendre comment la structure 3D de la chromatine affecte l'agglutination des FTs, nous avons proposé un modèle pour traduire la présence des IPPs dans le noyau et vérifié comment l'agglutination affecte l'allocation des FTs, en considérant la diffusion 3D/1D comme notre mécanisme de recherche. Ensuite, une fois qu'un FT est lié à une région, il recrute l'ARN polymérase (ARNP). En outre, les FTs inductibles restent dans le cytoplasme et translocation dans le noyau par le biais du complexe du pore nucléaire (CPN) après une signalisation appropriée. Afin d'intégrer ces mécanismes, nous avons proposé un autre modèle pour comprendre la dynamique de recherche des TF et de recrutement de l'ARNP. Nous avons obtenu des solutions déterministes et stochastiques vérifiant comment la transcription est renforcée à la périphérie du CPN et confirmée par l'analyse d'imagerie de gènes spécifiques. Enfin, nous avons incorporé le processus d'exportation de l'ARNm pour vérifier les différentes concentrations de transcrits cytoplasmiques, prouvant ainsi que le volume d'ARNm disponible dépend également du CPN. Par conséquent, notre travail montre des liens pertinents entre la structure de la chromatine, l'allocation des ressources transcriptionnelles et la stochasticité de la régulation des gènes.

The diffusion of transcription factors (TFs) within the nucleus plays a crucial role in transcriptional regulation.The TF search for a specific DNA sequence is one of the main factors in gene expression. Thus, the interactions between two TFs due to weak protein-protein interactions (PPIs) form TF clusters, influencing their occupancy at a particular target site. To understand how the 3D structure of the chromatin affects the TF agglutination, we proposed a model to convey the presence of PPIs in the nucleus and verified how the clustering affects the TF allocation, considering the 3D/1D diffusion as our search mechanism. Then, once a TF is bound to a region, it recruits RNA Polymerase (RNAP). Besides, inducible TFs remain in the cytoplasm and translocate into the nucleus through the nuclear pore complex (NPC) upon proper signalling. To incorporate these mechanisms, we proposed another model to understand the TF search and RNAP recruitment dynamics. We obtained deterministic and stochastic solutions verifying how transcription is enhanced at the NPC periphery and confirmed through imaging analysis of specific genes. Finally, we incorporated the mRNA export process to verify the different cytoplasmic transcripts concentrations proving how the volume of available mRNA is also NPC-dependent. Therefore, our work shows relevant connections between the chromatin structure, the allocation of transcriptional resources and the stochasticity in gene regulation.