Etude des mécanismes de la différenciation sexuelle chez la levure fissipare Schizosaccharomyces pombe

Study of the mechanisms of sexual differentiation in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe

• Auteur / Autrice : Vedrana Andric
• Direction : Mathieu Rougemaille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....) - Laboratoire de biochimie (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Daniel Gautheret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Jacquier, Céline Morey, Lionel Bénard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Jacquier, Céline Morey

Mots clés

Mots clés contrôlés

ARN messagers

ARN non codants

Protéines de liaison à l'ARN

Différenciation sexuelle

Schizosaccharomyces pombe

Méiose

Mots clés libres

Levure fissipare

Différenciation sexuelle

Protéines de liaison à l’ARN

ARNs long non-codants (lncRNAs)

ARNs messagers

Fission yeast

Sexual differentiation

RNA-binding proteins

Long non-coding RNAs (lncRNAs)

Messenger RNAs

Résumé

Chez la levure fissipare Schizosaccharomyces pombe, un sous-ensemble de gènes méiotiques est transcrit de manière constitutive au cours de la mitose. Afin d’éviter l'expression prématurée du programme méiotique et l'initiation de la différenciation sexuelle, les cellules ont développé un système de dégradation de l'ARN qui élimine sélectivement les transcrits méiotiques correspondants. Ce processus nécessite la protéine de liaison à l'ARN Mmi1 (à domaine YTH), qui reconnaît en cis les molécules d'ARN (motifs UNAAAC) et les cible pour la dégradation par l'exosome nucléaire. Au début de la méiose, Mmi1 est séquestrée au sein d’une particule ribonucléoprotéique composée de la protéine de liaison à l'ARN Mei2 et du long ARN non-codant (lncRNA) meiRNA, permettant ainsi l'expression des gènes méiotiques et le déroulement de la méiose. Mon travail de thèse a consisté à étudier les mécanismes par lesquels Mmi1 assure la dégradation des transcrits méiotiques et qui régulent son activité au cours des cycles mitotiques et méiotiques. Pendant la croissance végétative, Mmi1 s'associe étroitement à la protéine conservée Erh1 pour former le complexe hétérotétramérique Erh1-Mmi1 (EMC) qui est essentiel pour la dégradation des transcrits méiotiques. Par des approches de biologie structurale et de biochimie, nous avons montré qu'Erh1 s'assemble en homodimère in vitro et in vivo, en accord avec des analyses récentes. Des mutations qui empêchent l'homodimérisation d'Erh1 mais préservent son interaction avec Mmi1 entraînent l'accumulation de transcrits méiotiques en raison d'un défaut de liaison de Mmi1 à ses cibles ARN. L'homodimérisation d’Erh1 est également nécessaire pour séquestrer Mmi1 dans le complexe Mei2-meiRNA et assurer la progression de la méiose. Ainsi, l'assemblage d’EMC est essentiel pour la reconnaissance et la dégradation des transcrits méiotiques par Mmi1 dans les cellules mitotiques et contribue à l'inactivation de cette dernière au début de la méiose. Des travaux antérieurs ont montré que, pendant la croissance végétative, Mmi1 recrute le complexe Ccr4-Not pour ubiquitinyler et limiter l’accumulation de son propre inhibiteur Mei2, maintenant ainsi son activité dans la dégradation des ARNs méiotiques. Nous avons identifié un lncRNA, différent de meiRNA et appelé mamRNA (Mmi1- and Mei2-associated RNA), qui sert de plateforme à Mmi1 pour cibler Mei2 vers le complexe Ccr4-Not. Réciproquement, lorsque cette régulation négative de Mei2 est défectueuse, mamRNA est nécessaire pour l'inactivation de Mmi1 par les niveaux élevés de Mei2. Des expériences d’hybridation in situ par fluorescence en molécules uniques (smFISH) ont également montré que mamRNA est localisé dans un corps nucléaire contenant Mmi1, suggérant que le contrôle mutuel de Mmi1 et Mei2 est confiné dans l’espace. mamRNA peut également relayer meiRNA pour inhiber Mmi1 et favoriser la progression de la méiose. mamRNA apparait donc comme un régulateur critique des activités de Mmi1 et Mei2 pour ajuster la dégradation des ARNs méiotiques et modeler la transition de la mitose vers la méiose.

In the fission yeast S. pombe, a subset of meiosis-specific genes is constitutively transcribed during the mitotic cell cycle. To prevent untimely expression of the meiotic program and premature initiation of sexual differentiation, cells have evolved an RNA degradation system that selectively eliminates the corresponding meiotic transcripts. This process requires the YTH-family RNA-binding protein Mmi1, which recognizes cis-elements within RNA molecules (UNAAAC motifs) and targets them for degradation by the nuclear exosome. At the onset of meiosis, Mmi1 is sequestered in a ribonucleoparticle composed of the RNA-binding protein Mei2 and the long non-coding RNA (lncRNA) meiRNA, thereby allowing expression of meiotic genes and meiosis progression. My PhD work consisted in studying the mechanisms by which Mmi1 promotes the degradation of meiotic transcripts and how its activity is regulated during both the mitotic and meiotic cell cycles. During vegetative growth, Mmi1 tightly associates with the evolutionarily conserved Erh1 protein to form the heterotetrameric Erh1-Mmi1 complex (EMC) that is essential for the degradation of meiotic transcripts. Using biochemical and structural approaches, we have shown that Erh1 assembles as a homodimer in vitro and in vivo, consistent with recent analyses. Mutations that disrupt Erh1 homodimerization but preserve interaction with Mmi1 result in the accumulation of meiotic transcripts due to inefficient binding of Mmi1 to its RNA targets. Erh1 homodimerization is also required for Mmi1 luring by the Mei2-meiRNA complex and meiosis progression. Thus, EMC assembly is essential for the recognition and degradation of meiotic transcripts by Mmi1 in mitotic cells and contributes to Mmi1 inactivation at meiosis onset. Previous work showed that, during vegetative growth, Mmi1 recruits the conserved Ccr4-Not complex to ubiquitinylate and downregulate a pool of its own inhibitor Mei2, thereby maintaining its activity in meiotic RNA degradation. We have identified a lncRNA, different from meiRNA and termed mamRNA (Mmi1- and Mei2-associated RNA), to which Mmi1 associates to target Mei2 to the Ccr4-Not complex. Conversely, when Mei2 downregulation is impaired, mamRNA is necessary for Mmi1 inactivation by increased Mei2 levels. Single molecule RNA FISH experiments also indicated that mamRNA localizes to a nuclear body enriched in Mmi1, suggesting that the mutual control of Mmi1 and Mei2 is spatially confined. mamRNA can also take over meiRNA to inhibit Mmi1 and promote meiosis progression. Therefore, mamRNA emerges as a critical regulator of Mmi1 and Mei2 activities to fine tune meiotic RNA degradation and shape the mitosis to meiosis transition.