Régulation des ARN G-Quadruplexes par les protéines de liaison à l'ARN et leur interaction avec les N6-Méthyladénosines dans les cellules du cancer

Regulation of RNA G-Quadruplexes by RNA binding proteins and their interaction with N6-Methyladenosines in cancer cells

• Auteur / Autrice : Sebastien Bourdon
• Direction : Stefania Millevoi, Erik Dassi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Cancérologie
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Pyronnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Lacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Monchaud, Daphné Seigneurin-Berny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines de liaison à l'ADN

Cellules cancéreuses -- Croissance

G-quadruplexes

Mots clés libres

ARN G-Quadruplexes

Protéines de liaison à l'ARN

N6-Méthyladénosines

Cancer

RNA G-Quadruplexes

RNA binding proteins

N6-Methyladenosine

Cancer

Résumé

Le développement du cancer et la réponse aux traitements sont associés à des variations de la régulation post-transcriptionnelle qui entraîne une modification du protéome qualitativement et/ou quantitativement. La régulation post-transcriptionnelle implique des protéines de liaison à l’ARN (RBP), interagissant avec des éléments cis comme les séquences, les modifications ou les structures de l’ARN. Parmi ces éléments cis, les structures non-canoniques nommées ARN G-Quadruplexes (RG4), et les modifications N6-Méthyladénosines (m6A), jouent un rôle critique dans le modelage post-transcriptionnel guidant l’expression des gènes du cancer, et leur ciblage est actuellement envisagé par des essais pré-cliniques. L’un des défis majeurs de ce champ de recherches repose sur la compréhension des mécanismes contrôlants la sélectivité des sites modifiés en m6A, leur reconnaissance et leur suppression, ainsi que sur l’identification des régulateurs de la structuration des RG4. Pour répondre à ces défis, la colocalisation entre les RG4 et les m6A et leur régulation mutuelle doit encore être étudiée de manière claire. Un autre objectif clé consiste à relier les interactions entre les protéines liant les RG4 dans les transcrits et leurs fonctions biologiques liées au cancer en tirant parti des prédictions de la structuration des RG4 et des données expérimentales sur les RG4 et les RBP. Mon projet de thèse aborde ces deux défis centrés sur la régulation cis- et trans- des RG4, en utilisant des approches multidisciplinaires incluant la bioinformatique, la biologie moléculaire et cellulaire. Pour cartographier et caractériser globalement les régulateurs agissant en trans sur les RG4, nous avons développé QUADRatlas (https://rg4db.cibio.unitn.it), une base de données de RG4 identifiés expérimentalement et prédits par ordinateur dans le transcriptome humain, liés à leurs fonctions biologiques et à leurs associations aux pathologies (Bourdon et al, NAR, 2023). Ce travail offre un accès à un large catalogue construit manuellement de protéines de liaison aux RG4 connues, complété par un vaste ensemble de données de sites de liaison de RBP pour découvrir de nouvelles interactions potentielles RG4-RBP. Notre étude sur l'interaction entre les RG4 et les m6A a révélé leur colocalisation dans le transcriptome codant humain. Nous avons démontré in vitro que la stabilité des RG4 n'était pas inhibée par la présence de m6A. Cependant, nous avons montré que la stabilisation des RG4 diminuait le niveau global de m6A dans les lignées cellulaires cancéreuses. Pour expliquer cet effet, nous avons étudié la capacité des RBP à se lier aux RG4, m6A ou aux RG4 contenant des m6A (RG4(m6A)). Nous avons découvert que les RG4s pouvaient agir comme des plateformes pour les protéines de liaison aux m6A et ainsi réguler leur présence sur les transcrits. Ce travail fournit des informations essentielles sur la régulation mutuelle de deux éléments cis majeurs de l'ARNm par les RBP. De futures analyses seront nécessaires pour découvrir l’effet de la colocalisation RG4(m6A) sur l’expression des gènes du cancer.

Cancer development and response to treatments are associated to post-transcriptional rewiring which in turn modifies the cancer proteome qualitatively and/or quantitatively. Post-transcriptional regulation involves RNA binding proteins (RBP) interacting with cis-acting elements like RNA sequences, modifications or structures. Among the cis-regulators, non-canonical structures, called RNA G-Quadruplexes (RG4), and N6-methyladenosines modifications (m6A), play a critical role in shaping post-transcriptional expression of cancer genes and their targeting is currently investigated in pre-clinical studies. One major challenge in the field lies in understanding the mechanisms controlling selectivity in m6A deposition, reading and removal, as well as deciphering RG4 folding and regulators. Whether m6A and RG4 colocalize and regulate each other remains to be fully investigated. Another key challenge is to link RG4-protein interactions in transcripts to cancer-relevant biological functions by leveraging predictions of RG4 structuration and experimental data on RG4 and RBP.My thesis project tackled these two challenges centered on the cis- and trans- regulation of RG4s, using multidisciplinary approaches including bioinformatics, molecular and cellular biology. To globally map and characterize RG4 trans-acting regulators, we developed QUADRatlas (https://rg4db.cibio.unitn.it), a database of experimentally-derived and computationally predicted RG4 in the human transcriptome, linked with their biological function and disease associations (Bourdon et al, NAR, 2023). This work provides a broad access to a manually curated catalogue of known RG4-binding proteins, complemented with an extensive RBP binding sites dataset to discover new potential RG4-RBP interactions. Our study on the interplay between RG4 and m6A revealed their colocalization in the human coding transcriptome. We demonstrated in vitro that RG4 stability was not inhibited by m6A presence. However, we showed that the stabilisation of RG4 decreased global m6A level in cancer cell lines. To explain this effect, we studied the ability of RBP to bind RG4, m6A or RG4 containing m6A (RG4(m6A)) and found that RG4 could act as a platform for m6A binding proteins and thus regulate their presence on transcripts. This work provides insights on the co-regulation of two major mRNA cis-acting elements by RBP. Future analyses will then be needed to unravel the effect of RG4(m6A) colocalization on cancer gene expression.