Modifications épitranscriptomiques des ARNt d'Arabidopsis et régulation traductionnelle de l'expression des gènes en réponse au stress

Epitranscriptomic modifications of Arabidopsis tRNAs and translational regulation of gene expression in response to stress

• Auteur / Autrice : Arnaud Dannfald
• Direction : Jean-Marc Deragon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génome et Développement des Plantes (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Julio Saez-Vasquez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Crespi, Jean-Jacques Favory
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Drouard, Christophe Robaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression génique

ARN de transfert

Effets du stress

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Stress abiotique

Populations naturelles

Traduction

Arabidopsis

Spectrométrie de masse

Épitranscriptomique

Abiotic stress

Natural populations

Translation

Arabidopsis

Mass spectrometry

Epitranscriptomics

Résumé

La nature sessile des plantes les a poussé à développer de fortes capacités d’acclimatation et d’adaptation. Les plantes ont aussi la capacité de se souvenir d’un événement de stress antérieur afin d’être mieux préparées lors de l’apparition de nouveaux stress : un phénomène que l’on qualifie d’effet mémoire. En condition de stress thermique il est nécessaire pour la survie des plantes qu’elles ajustent finement l’expression de leurs gènes, afin de coordonner la balance entre croissance et défense. Aujourd’hui, de nombreuses études se sont intéressées aux rôles des régulations transcriptionnelles dans l’acclimatation au stress thermique et l’effet mémoire, mais l’implication de la traduction, un processus clé de l’expression des gènes, n’a été que très peu caractérisé. La traduction est régulée par divers éléments, dont les ARN de transfert (ARNt). Ces molécules servent de lien entre le monde des acides nucléiques et celui des acides aminés, en décodant les ARNm et en transportant les acides aminés aux ribosomes. Les ARNt possèdent des modifications chimiques variées, constituant ce que l’on nomme l’épitranscriptome des ARNt. Elles impactent la biologie des ARNt à plusieurs niveaux, y compris leurs interactions avec les ARNm et les ribosomes, influençant in fine la traduction. Récemment, il a été observé que ces modifications épitranscriptomiques sont dynamiques et répondent à des signaux intra- et extracellulaires. Il est proposé qu’elles constituent un nouveau niveau de régulation de l’expression des gènes, modulant la traduction. Néanmoins chez Arabidopsis assez peu d’études décrivent les épitranscriptomes des ARNt et leurs variations. Le but de ma thèse a été de comprendre comment le contrôle de la traduction régule l’expression des gènes, permettant l’acclimatation des plantes au stress thermique et l’établissement de l’effet mémoire. Et aussi, comment varie l’épitranscriptome des ARNt en réponse à différentes conditions. Trois grands axes ont été suivis au cours de mes travaux : l’étude de la variabilité naturelle des modifications chimiques des ARNt, l’impact du stress thermique et de l’effet mémoire sur les régulations traductionnelles et l’impact sur l’épitranscriptome des ARNt. Dans le premier axe j’ai montré pour la première fois l’existence d’une variabilité épitranscriptomique naturelle au sein de différentes populations d’Arabidopsis provenant de différentes régions d’Europe, aux conditions climatiques très contrastées. Les résultats obtenus suggèrent que cette variabilité épitranscriptomique est principalement dictée par des paramètres génétiques. Dans la deuxième partie j’ai mis en lumière l’importance des mécanismes polysomaux (traduction et dégradation co-traductionnelle) dans la réponse au stress thermique et l’établissement de l’effet mémoire chez Arabidopsis. J’ai montré comment l’amorçage permet d’améliorer ses capacités traductionnelles afin de permettre son acclimatation. Dans le dernier axe, j’ai montré l’impact du stress thermique ainsi que de l’amorçage sur la composition des épitranscriptomes des ARNt (engagés ou non dans les polysomes). Enfin, une analyse intégrative des résultats a permis de proposer l’implication d’une modification chimique des ARNt (inosine en position 34) dans une potentielle régulation épitranscriptomique de la traduction. Enfin, cette thèse a permis d’apporter de nouvelles informations sur l’importance des régulations traductionnelles dans la réponse au stress thermique et l’effet mémoire. De plus nous avons apporté de nouvelles connaissances sur la variabilité des modifications chimiques des ARNt chez Arabidopsis. Ces résultats innovants permettent de soutenir l’hypothèse de leur implication dans la régulation fine de l’expression des gènes et d’intégrer ces molécules dans la réponse au stress thermique et dans l’effet mémoire chez les organismes végétaux.

The sessile nature of plants has led them to develop strong acclimatization and adaptation capabilities, especially in the face of extreme heat. Plants also have the ability to remember a previous stress event in order to be better prepared for the onset of new stresses: a phenomenon known as the memory effect.Under conditions of thermal stress, it is essential for the survival of plants that they fine-tune the expression of their genes in order to coordinate the balance between growth and defense. To date, numerous studies have focused on the role of transcriptional regulation in heat stress acclimation and the memory effect, but the involvement of translation, a key process in gene expression, has been poorly characterized. Translation is regulated by several elements, including transfer RNAs (tRNAs). These molecules act as a link between the world of nucleic acids and that of amino acids, decoding mRNAs and transporting amino acids to ribosomes. tRNAs possess a variety of chemical modifications, that constitute the so-called tRNA epitranscriptome. They affect the biology of tRNAs at multiple levels, including their interactions with mRNAs and ribosomes and ultimately translation. Recently, these epitranscriptomic modifications have been observed to be dynamic and responsive to intra- and extracellular signals. It is proposed that they represent a new level of gene expression regulation that modulates translation. However, only a few studies have described the tRNA epitranscriptomes and their variations in Arabidopsis.The aim of my thesis was to understand how translational control regulates gene expression, to enable plant acclimation to heat stress and the establishment of the memory effect. And also, how the epitranscriptome of tRNAs varies in response to different conditions. My work has focused on three main areas: the study of natural variability in tRNA chemical modifications, the impact of heat stress and the memory effect on translational regulation, and the impact on the tRNA epitranscriptome.In the first axis, I demonstrated for the first time the existence of natural epitranscriptomic variability within different Arabidopsis populations from different regions of Europe, with very contrasting climatic conditions. The results obtained suggest that this epitranscriptomic variability is mainly dictated by genetic parameters.In the second part, I highlighted the importance of polysomal mechanisms (polysomal engagement and co-translational degradation) in the response to heat stress and the establishment of the memory effect in Arabidopsis. I showed how priming can enhance the translational capacities of Arabidopsis, to enable acclimation.Finally, I demonstrated the effect of heat stress and priming on the composition of tRNA epitranscriptomes (bound or not to polysomes). Finally, an integrative analysis of the results suggested a role for a chemical modification of tRNAs (inosine at position 34) in an epitranscriptomic regulation of translation.Finally, this thesis has provided new information on the importance of translational regulations in the response to heat stress and the memory effect. In addition, we have provided new insights into the variability of tRNA chemical modifications. These innovative results support the hypothesis of their involvement in the fine regulation of gene expression and the integration of these molecules in the response to heat stress and the memory effect in plant organisms.