Exploring TERRA (TElomeric Repeat-containing RNA) Expression and Regulation During Cell Growth in Saccharomyces cerevisiae

The physical ends of eukaryotic chromosomes consist of repetitive DNA sequences, which are associated with specialized proteins forming a nucleoprotein structure essential for the integrity of the linear chromosomes, and are known as telomeres. Telomerase is an enzyme responsible for the maintenance of  the telomeric repeats at the end of the chromosomes. Telomerase is a ribonucleoprotein, which contains a catalytic subunit that possesses reverse transcriptase activity, and a RNA subunit that acts as a template, since it possess the telomeric repeat sequences necessary to amplify telomere ends. Telomeres are transcribed in most eukaryotes into a non-coding RNA know as TERRA (Telomeric repeats-containing RNA). It has been proposed that TERRA may act as a regulator of telomere homeostasis, and as an inhibitor of telomerase, however, its specific function is still unknown. In Saccharomyces cerevisiae, TERRA is rapidly degraded by the 5’-3’ Rat1 exonuclease, which has hampered its study by classic biochemical experiments in yeast.   In this thesis, we report the use of cytological approaches to study TERRA in budding yeast. Two different approaches were used for this purpose: the fluorescent in-situ hybridization (FISH) and the labeling of TERRA by the MS2-GFP system, which allow the visualization of TERRA transcripts form a single telomere in living cells. With these two approaches, we observed that TERRA is expressed from a single telomere and accumulates as a single perinuclear foci, in a small percentage of cells population. We also demonstrate that TERRA expression occurs due to telomere shortening.  We demonstrate that TERRA interacts in vivo with the telomerase RNA (TLC1) in yeast. Telomere elongation depends on the action of several telomerase molecules that are visible as clusters, which associate with telomeres in late S phase in yeast, and mammalian cells. In adidition, we show that TERRA stimulates the nucleation of telomerase clusters. By performing time course experiments of TERRA and TLC1 RNA in live cells, we observed that TERRA acts as a scaffold for generating telomerase clusters, which are then recruited in late S phase to the telomere from which TERRA molecules originated. The recruitment of TERRA to its telomere of origin is dependent on factors that control telomerase recruitment at telomeres like: Mre11, Tel1 and the yKu complex. We propose that a short telomere expresses TERRA to assemble and organize telomerase molecules, which later on allows their recruitment at the short telomere, where elongation is needed.  Finally we showed an up-regulation of TERRA, and telomerase RNA TLC1, accompanied by a predominant cytoplasmic localization as cell growth progresses from exponential growth to diauxic shift, and stationary phase. In these conditions, TERRA foci co-localize with TLC1 RNA foci, suggesting that the function of TERRA as a scaffold molecule to generate telomerase cluster is necessary for this yeast cell growth phases. Les télomères à l’extrémité des chromosomes constituent une structure d’ADN et de protéines essentielle à l’intégrité de ces chromosomes. La télomérase est l’enzyme responsable du maintien des répétitions télomériques à l’extrémité des chromosomes. Cette enzyme est constituée d’une sous-unité catalytique, qui possède une activité de transcriptase réverse, et d’une sous-unité d’ARN, qui fourni la matrice nécessaire à la synthèse des répétitions télomériques. Les ARN contenant des répétions télomériques (ou Telomeric repeats-containing RNA; TERRA) constitue une nouvelle classe d’ARN non-codants transcrits à partir des télomères et conservée chez la plupart des eucaryotes. TERRA a été proposé d’agir comme un régulateur de l‘homéostasie des télomères et comme inhibiteur de la télomérase, mais sa fonction spécifique reste inconnue. De plus, chez la levure Saccharomyces cerevisiae, TERRA est rapidement dégradé par l’exonucléase 5’-3’ Rat1, ce qui complique l’étude de cet ARN par les méthodes biochimiques classiques.  Dans cette thèse, nous rapportons l‘utilisation d’une approche cytologique pour étudier TERRA dans les cellules de levures. Deux approches sont utilisées : l’hybridation in situ en fluorescence (FISH) et l’étiquetage de TERRA à l’aide du système MS2-GFP, qui nous permet de visualiser l’expression de TERRA transcrit d’un seul télomère dans des cellules vivantes. Avec ces deux approches, nous observons que TERRA exprimé à partir d’un seul télomère s’accumule dans un faible nombre de cellules, sous la forme d’un focus périnucléaire. De plus, nous montrons que TERRA est exprimé lorsque son télomère raccourcit. Par immunoprécipitation, nous montrons que TERRA interagit in vivo avec l’ARN de la télomérase de levure, TLC1. L’élongation des télomères dépend de l‘action de multiples molécules de télomérase, qui sont visibles sous la forme de clusters de télomérases, qui s‘associent en phase S avec les télomères chez la levure et les cellules de mammifère. Nous démontrons que TERRA stimule la nucléation de ces clusters de télomérase. Par imagerie en temps réel de TERRA et de l’ARN TLC1, nous observons que TERRA agit comme molécule d’échafaudage pour générer des clusters de télomérases, qui sont par la suite recrutés, en phase S, au télomère duquel TERRA a été exprimé. Le recrutement d’un focus de TERRA à son télomère d’origine dépend des facteurs contrôlant le recrutement de la télomérase aux télomères : Mre11, Tel1 et le complexe yKu. Nous proposons qu’un télomère court exprime TERRA pour assembler et organiser les molécules de télomérase, afin que celles-ci soit puissent être recrutées au télomère court pour permettre son élongation.   Enfin, nous observons une surexpression de l’ARN de la télomérase TLC1 et de TERRA, ainsi qu’une accumulation cytoplasmique de ceux-ci sous la forme de foci, lorsque la cellule passe de la phase de croissance exponentiel à la phase diauxique, puis à la phase stationnaire. Dans ces conditions, les foci d’ARN TLC1 colocalisent avec les foci de TERRA, suggérant que la fonction de TERRA comme molécule d’échafaudage pour générer des foci de télomérase est aussi nécessaire durant ces phases du cycle de croissance des levures.

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