Functional studies of the RNA helicases Vasa and Tdrd9 in the piRNA pathway

par Pietro Spinelli

Thèse de doctorat en Biotechnologie

Sous la direction de Ramesh Pillai.

Le président du jury était Winfried Weissenhorn.

Le jury était composé de André Verdel, Donal O'Carroll.

Les rapporteurs étaient Alena Shkumatava, Marie-Laure Baudet.

  • Titre traduit

    Analyses fonctionnelles de les ARN hélicases Vasa et TDRD9 dans la voie des piRNA


  • Résumé

    Les protéines Piwi sont exprimées dans les gonades (testicules et ovaires) des animaux où elles s'associent à des petits ARN nommés piRNAs (Piwi-interaction RNAs) et répriment les éléments transposables, défendant ainsi de l'intégrité du génome. En effet, les animaux knock-out pour les protéines Piwi montrent une perte de piRNAs et une activation des éléments transposables avec des conséquences catastrophiques: l'arrêt du développement des cellules germinales, due potentiellement à des dommages du génome qui entraîne l'infertilité. Le « Silencing » est réalisé soit par l'activité endonucléase guidée par les piRNAs de la protéine Piwi cytosolique ou par le recrutement de la machinerie de répression transcriptionelle sur les loci génomiques des cibles par Piwi nucléaire. La biogenèse des piRNAs peut être divisée en deux voies, une primaire et une secondaire. De longs ARN précurseurs simple-brin sont transformés en piRNAs matures de 25-30 nt qui sont chargés dans les protéines Piwi. Une fois chargée avec le piRNA, Piwi se lie aux transcrits de transposons ayant la séquence complémentaire et les clive en générant deux ARN, dont l'un peut être chargé dans une nouvelle protéine Piwi, produisant un piRNA secondaire. Des études génétiques ont identifié plusieurs facteurs protéiques essentiels à ce processus. Certain de ces facteurs sont des hélicases à ARN dont le rôle spécifique reste inconnu, principalement parce que ce sont des enzymes dynamiques et l'identification de leurs cibles et leurs partenaires protéiques avec des approches biochimiques standards est difficile.Dans la première partie de cette thèse nous décrivons comment l'introduction d'une mutation ponctuelle dans la boîte DEAD de l'hélicase à ARN Vasa (DEAD à DQAD) peut bloquer son activité in vivo et figer le complexe transitoire de biogenèse qui contient VASA et les deux protéines Piwi responsables de la biogenèse secondaire.La résolution de la structure de VASADQ en complexe avec l'ATP ou l'AMPPNP a révélé les détails moléculaires de cette inhibition et a expliqué le phénotype observé in vivo. VASADQ a un taux d'hydrolyse de l'ATP réduit, car après hydrolyse, le phosphate libre est bloqué à l'intérieur du site actif en raison d'une liaison hydrogène supplémentaire formée avec la Gln mutée. La réduction de l'hydrolyse de l'ATP se traduit par une faible liaison à l'ARN mesurée par des expériences biophysiques. L'introduction de la même mutation chez l'homologue murin de VASA (MVH) produit un phénotype de dominant négatif où MVHDQ est agglutinée sur le complexe RNP contenant les protéines Piwi et les piRNAs.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons introduit la même mutation dans TDRD9, une autre hélicase à ARN impliquée dans la voie des piRNAs mais dont la fonction est inconnue. Nous avons d'abord exprimé, purifié TDRD9 et montré que la mutation dans son domaine hélicase DEVH à DQVH abolit complètement son activité ATPase sans impacter sur sa stabilité. Par la suite, nous avons généré une souris Knock-in et analysé son phénotype. Les souris Knock-in mâles sont stériles et présentent un blocage au début de la spermatogenèse qui est probablement une conséquence des dommages de l'ADN générés par l'activation des éléments transposables. Ces éléments, comme Line-1, présentent un défaut de méthylation à leur loci génomiques, mais qui ne semble pas être contrôlé par la voie piRNA dans le mutant, étant donné que les protéines Piwis sont correctement chargées avec les piRNAs dérivés de Line-1.Dans l'ensemble, nous avons étudié le rôle moléculaire de deux hélicases à ARN dans la voie des piRNAs, nous avons élucidé le rôle de VASA et nous montrons que l'activité ATPase de TDRD9 est essentielle pour la régulation des transposons au cours de la spermatogenèse de la souris.


  • Résumé

    PIWI proteins are expressed in the gonads (testis and ovary) of animals where they associate with PIWI-interacting RNAs (piRNAs) and silence transposable elements, defending the integrity of the genome. Indeed, animal knock-outs of Piwi proteins display a loss of piRNAs and activation of transposon sequences with catastrophic consequences: block in germ cell development potentially due to genome damage, resulting in infertility. Silencing is achieved either by piRNA-guided endonuclease activity of cytosolic Piwi protein or by recruitment of transcriptional repression machinery on target genomic loci by nuclear Piwi. Biogenesis of piRNAs can be divided in primary and secondary pathway. Primary pathway describes how long single-stranded RNA precursors are processed into mature 25-30 nt piRNAs and loaded into Piwi proteins. Piwi-loaded piRNAs bind and cleave complementary transposon transcripts generating two RNA products, one of which can be loaded into a new Piwi protein, generating a secondary piRNA. Different protein factors are essential in this process as identified by genetic studies. Few of these factors are putative RNA helicases but their specific role is unknown, mainly because RNA helicase are dynamic enzymes and identification of their targets and protein partners with standard biochemical approaches is challenging.In the first part of this thesis I describe how the introduction of a point mutation in the DEAD box of the RNA helicase Vasa (DEAD to DQAD) can block its activity in vivo and freeze a transient biogenesis complex that contains Vasa and the two Piwi proteins responsible for secondary biogenesis.Crystal structure of VASADQ in complex with ATP or AMPPNP revealed the molecular details of this inhibition and explained the phenotype observed in vivo. VasaDQ has a reduced ATP hydrolysis rate because after hydrolysis the free phosphate is blocked inside the active site due to an additional hydrogen bond formed with the mutated Gln. The reduction in ATP hydrolysis is mirrored by an impaired RNA binding activity as measured with biophysical experiments. Introduction of the same mutation in the mouse homologue of Vasa (MVH) has a dominant-negative phenotype where MVHDQ is clump on an ribonucleoprotein (RNP) complex containing piRNAs and mouse Piwi proteins.In the second part of this thesis I introduce the same mutation in TDRD9, another RNA helicase involved in piRNA pathway with an unknown function. First I expressed and purified TDRD9 and showed that DEVH to DQVH mutation in its helicase domain completely abolishes its ATPase activity but do not affects its stability. Next I created a knock-in mutation in the mouse genomic locus for Tdrd9 and analysed the resulting phenotype in the mutant. Knock-in mice are male sterile with an early block in spermatogenesis that is probably a consequence of uncontrolled DNA damages generated by de-repressed transposon elements. These elements, like Line-1, fail to be correctly methylated at their genomic loci in the Tdrd9 mutant. Although Tdrd9 is important for Line-1 transposon silencing, it is likely not via a role in piRNA biogenesis since Piwi proteins are correctly loaded with Line-1 derived piRNAs. Interestingly a drop in piRNAs that derives from SINE elements is observed in the mutant, probably reflecting a role for Tdrd9 in sorting primary transcripts into MILI and MIWI2 during DNA de novo methylation.Overall I investigated the molecular role of two RNA helicases in the piRNA pathway, elucidating the role of Vasa and show that the ATPase activity of Tdrd9 is essential for transposon regulation in mouse spermatogenesis.


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