Control of the genome expression by the non-coding 7SK snRNA-HEXIM complex in Drosophila melanogaster

par Duy Nguyen

Thèse de doctorat en Génétique et biologie moléculaire

Sous la direction de Patricia Uguen.

  • Titre traduit

    Contrôle de l’expression du génome par le complexe snARN 7SK-HEXIM chez Drosophila melanogaster


  • Résumé

    Alors que le complexe snRNP est bien décrit chez les vertébrés, il nécessite plus d’études chez les invertébrés. Le snARN 7SK sert de maintient structural pour la fixation d’HEXIM à P-TEFb. En retour, HEXIM inhibe l’activité kinase de CDK9 via une fixation directe avec la Cycline T. En conséquence, les interactions entre le snARN 7SK et HEXIM va piéger le complexe P-TEFb sous une forme inactive qui conduit à inhiber l’élongation transcriptionnelle. Dans notre étude, nous montrons qu’un contrôle de l’activité P-TEFb existe aussi chez la Drosophile. Et la dynamique d’équilibre entre les deux formes de P-TEFb dépend également du snARN 7SK. Ce modèle est donc utilisé pour étudier le rôle biologique de la snRNP, et plus spécialement d’HEXIM, dans un contexte intégré. Nous avons donc analysé le profile d’expression d’HEXM durant le cycle de vie de la Drosophile et plus particulièrement pendant l’embryogenèse et l’organogenèse. L’expression permanente et ubiquitaire d’HEXIM suggère qu’elle est nécessaire au développement. Le fait que la perte de fonction d’HEXIM mène à de nombreux et sévères défauts confirme cette hypothèse. En utilisant le modèle des disques imaginaux de l’aile et de l’œil, nous avons étudié plus en profondeur le rôle d’HEXIM et nous avons montré qu’elle est essentielle pour la viabilité cellulaire. De plus, la perte de fonction d’HEXIM conduit à des changements du destin cellulaire et à des modifications des profiles d’expression de plusieurs gènes sélecteurs ou de morphogènes. De façon surprenante, la diminution d’HEXIM induit l’accumulation de Ci155 qui est requise pour activer l’expression de Ptc, ainsi que l’activation ectopique de la voie Hh. Cette accumulation notable de Ci155 est également détectée dans les cellules “immortelles” et dans les tissus en cours de régénération à la suite d’une ablation par voie génétique. Sur la base de ces données, nous proposons un rôle possible de l’accumulation de Ci155 dans le phénomène de prolifération compensatrice. Finalement, nous avons caractérisé un nouvel analogue du snARN 7SK chez la Drosophile, qui a été nommé dm7SK-like snARN. Ce dernier a une structure secondaire très similaire à celle de ces homologues vertébrés, alors que la séquence primaire est assez différente. De plus, presque tous les domaines structuraux importants pour les interactions avec HEXIM et les autres partenaires sont conservés chez cet ARN. Des interactions directes ont été démontrées entre HEXIM et cet ARN suggérant qu’il est un analogue structural du snARN 7SK. Ainsi, la présence de deux analogues du snARN 7SK suggère un autre niveau de régulation de l’expression des gènes, au moins chez la Drosophile.


  • Résumé

    Whereas 7SK snRNP complex has been well characterized in vertebrates, its activities still remain to be further elucidated in invertebrates. 7SK snRNA serves as a structural scaffold for the efficient binding of HEXIM to P-TEFb. HEXIM in turn inhibits the kinase activity of CDK9 via its direct binding to CyclinT. Consequently, the interaction between 7SK snRNA and HEXIM sequesters the active P-TEFb complex into the inactive form, thereby suppressing the transcription elongation. In this study, we first show that a similar P-TEFb control system exists in Drosophila. In addition, the dynamic equilibrium of the two complexes of P-TEFb in Drosophila also depends on 7SK snRNA. Thank to this similarity, we are able to examine the biological role of 7SK snRNP complex, especially HEXIM protein, in an integrative organism as Drosophila model. We next document the expression profile of HEXIM throughout the life cycle of Drosophila, especially during embryogenesis and organogenesis. The continuous and ubiquitous expression of HEXIM suggests its necessity during development. We demonstrate that HEXIM is indeed essential for the proper development of Drosophila, since its down-regulation results in numerous severe defects. By using wing and eye imaginal discs as study models, we further examine biological roles of HEXIM, and reveal that it is required for cell viability. Moreover, HEXIM knockdown leads to changes in cell fate commitments, and modifications in expression patterns of several selector genes and morphogens. Strikingly, down-regulation of HEXIM significantly induces the accumulation of Ci155, which is required for Ptc expression, and the ectopic activation of Hh signaling. This remarkable accumulation of Ci155 is also detected in “undead cells” and regenerated tissue upon genetic ablation. Given these findings, we thus propose a putative role of Ci155 accumulation in compensatory proliferation. Finally, we characterize a novel analog of 7SK snRNA in Drosophila, which is named dm7SK-like snRNA. This snRNA displays a very similar secondary structure with its vertebrate homologs, although the primary sequence is relatively different. More importantly, almost all of the structural elements crucial for the interaction with HEXIM and other partners are found conserved in this novel dm7SK-like snRNA. A direct interaction between dHEXIM and this snRNA also suggests that it is a functional analog of 7SK snRNA in Drosophila. Thus, the intriguing finding of the two analogs of 7SK snRNA would propose another regulation level of gene expression, at least in Drosophila.


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