Régulation de l’expression et de la localisation des ARN TLC1 et TERRA en réponse à différents stress génomiques chez la levure

Les télomères forment la structure qui coiffe les extrémités des chromosomes. Ils sont essentiels pour protéger l’intégrité génomique. À cause du problème de fin de réplication, les télomères raccourcissent à chaque division cellulaire, menant à l’arrêt du cycle cellulaire, à la sénescence et à la mort cellulaire. Pour contrevenir au raccourcissement des télomères, les cellules immortalisées et hautement prolifératives, ainsi que la plupart des eucaryotes unicellulaires tels que Saccharomyces cerevisiae, expriment la télomérase, un complexe ribonucléoprotéique enzymatique qui rallonge les télomères.  Pour permettre le maintien de la longueur des télomères et assurer l’intégrité du génome, plusieurs régulateurs contrôlent le recrutement et l’activité de la télomérase, s’assurant du ciblage précis de l’activité de la télomérase à ses substrats. Aux télomères, un dérèglement des mécanismes de régulation de la télomérase peut mener au raccourcissement des télomères, à des fusions de chromosomes et au développement d’un potentiel cancéreux. La télomérase peut aussi agir aux cassures d’ADN où son activité se traduit par l’ajout de novo d’un télomère et conduit à la perte de matériel génétique, à l’instabilité génomique et possiblement à la mort cellulaire. Son recrutement et son activité y sont donc inhibés. Les mécanismes par lesquels la cellule régule l’activité de la télomérase aux télomères et aux cassures d’ADN restent encore peu connus. De plus, en réponse à certains stress, ces mécanismes peuvent être altérés. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d’étudier les régulateurs de l’activité de la télomérase et l’impact de certains stress cellulaires sur cette régulation.  Dans la première partie, nous avons étudié la localisation de l’ARN TLC1, la sous-unité ARN de la télomérase, à travers le cycle cellulaire chez S. cerevisiae. Alors que cet ARN est majoritairement dans le nucléoplasme en G1/S, il démontre une accumulation nucléolaire en phase G2/M du cycle cellulaire. Chez la levure, la réparation des cassures d’ADN se fait majoritairement par recombinaison homologue et est exclue du nucléole. Dans ce contexte, nous avons formulé l’hypothèse que l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléole en G2/M constitue un mécanisme par lequel l’ajout de novo de télomère est inhibé aux cassures d’ADN. Nous avons fixé comme buts de caractériser les mécanismes régulant l’accumulation nucléolaire de l’ARN TCL1 et d’étudier comment la présence de dommage à l’ADN influence cette régulation.  Nous avons pu montrer que la localisation nucléolaire de l’ARN TLC1 dépend de l’hélicase Pif1, de la protéine de la recombinaison homologue Rad52 et que la présence de dommage à l’ADN et l’absence de Rad52 influence le trafic nucléaire de cet ARN. Dans ces conditions, la protéine de la recombinaison homologue Rad51 permet l’accumulation de Cdc13 aux cassures et favorise l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléoplasme et aux cassures d’ADN. Cette accumulation est dépendante de la SUMO ligase Siz1 et mène à une augmentation d’ajout de novo de télomère aux sites de cassures d’ADN. Pour pouvoir quantifier l’augmentation d’ajout de novo de télomère, nous avons développé une nouvelle approche basée sur le séquençage haut-débit de type Illumina pour identifier et quantifier les événements d’ajout de novo de télomère sur le génome entier de manière non-biaisée.  Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes contrôlant l’expression d’un régulateur de la télomérase nommé TERRA (telomeric repeats containing RNA). TERRA est un long ARN non-codant qui est transcrit à partir des régions sous-télomériques jusqu’aux répétitions télomériques. Chez S. cerevisiae, l’expression de TERRA est inhibée au niveau de sa transcription par le complexe SIR et au niveau de sa dégradation par l’exonucléase Rat1. Pourtant, les télomères courts expriment TERRA à des niveaux élevés. Cette augmentation de l’expression de TERRA permet de concentrer et de cibler l’activité de la télomérase aux télomères courts. En étudiant l’expression de TERRA, nous avons remarqué que les télomères exprimant cet ARN démontrent une perte prématurée de leur cohésion en phase S du cycle cellulaire. Nous pensons que l’organisation structurelle des télomères et, plus particulièrement, la cohésion télomérique participe à la régulation de l’expression de TERRA. De plus, plusieurs groupes ont montré que l’expression de TERRA était régulée en réponse à plusieurs stress, de façon indépendante de la taille des télomères. Dans ce contexte, nous formulons l’hypothèse que le stress oxydatif et les changements métaboliques induits durant la transition diauxique influence l’expression de TERRA. Pour cette partie de la thèse, nous avions comme but d’étudier comment l’expression de TERRA étaient régulé par les changements métaboliques comme la transition diauxique et d’étudier le rôle joué par le complexe de la cohésine dans la régulation de l’expression de TERRA. Nous avons montré que les télomères courts montrent une perte de cohésion prématurée en début de phase S, ce qui favorise l’expression de TERRA en cis. Alors qu’une perte de fonction partielle de la cohésine résulte en une augmentation de l’expression de TERRA, la rétention forcée de cohésine à un télomère court réprime sa transcription. Cette perte de cohésion aux télomères courts est dépendante de Sir4 mais indépendante de Sir2, ce qui suggère que le rôle de Sir4 dans l’ancrage des télomères à la membrane nucléaire pourrait être impliqué dans ce phénomène. Nous avons également montré que la transcription de TERRA est induite durant la transition diauxique, une phase de croissance cellulaire où, suite à la déplétion du glucose, les cellules adaptent leur métabolisme en faveur de la respiration oxydative. Cette augmentation d’expression coïncide avec l’accumulation cytoplasmique de TERRA.  Ensemble, les travaux présentés dans cette thèse explorent les liens entre les stress cellulaires tels que les dommages à l’ADN, le raccourcissement télomérique, le stress oxydatif et le métabolisme cellulaire, et leur impact sur le trafic de la télomérase et l’expression de son régulateur TERRA. Telomeres constitute the structure at the end of linear chromosomes which is essential to protect genome integrity. Due to the end-replication problem, telomeres get shorter with every cell division, leading to cell cycle arrest, senescence and cell death. To counteract telomere shortening, highly proliferative cells and most unicellular eukaryotes, like Saccharomyces cerevisiae, express telomerase, a ribonucleoprotein enzyme that elongates telomeres. Many regulatory pathways affect telomerase activity and recruitment to assure precise targeting of telomerase activity to its proper substrate, the telomeres. Impairing these pathways can lead to telomere shortening, end-to-end chromosome fusions and immortalization. Telomerase can also be recruited at double strand breaks (DSBs), where its activity leads to de novo telomere additions which induce genomic instability, loss of genetic information and possibly cell death. For this reason, telomerase recruitment and activity is strongly inhibited at DSB. However, the mechanisms behind this regulation are still poorly understood. Furthermore, many cellular stresses affect telomerase regulation at telomeres and DSBs. Our goal is to study the regulation of telomerase activity and the impact of cellular stresses on this regulation. In the first part of this thesis, we looked at the cell cycle localization of the Saccharomyces cerevisiae RNA subunit of the telomerase, TLC1 RNA. While TLC1 RNA is mostly in the nucleoplasm in G1/S, it accumulates in the nucleolus in G2/M. In yeast, the most common DSB repair pathway is homologous recombination (HR). As HR is mostly excluded from the nucleolus in G2/M, we propose that the accumulation of TLC1 RNA in the nucleolus in G2/M may represent a regulatory pathway that repress de novo telomere addition by physically separating telomerase from sites of DNA repair by HR. We aim to characterize the mechanisms by which TLC1 RNA localization is regulated and how the presence of DSB affects this trafficking. We were able to show that the nucleolar localization of TLC1 RNA is dependent on the Pif1 helicase and on the HR protein Rad52. Furthermore, we showed that the presence of DSBs and the absence of Rad52 alter the nuclear trafficking of TLC1 RNA. In these conditions, Rad51 favors the accumulation of Cdc13 at DSBs and promotes the nucleoplasmic accumulation of TLC1 RNA. This accumulation is dependent on the SUMO ligase Siz1 and leads to an increased addition of de novo telomere at DNA breaks. In order to identify de novo telomere addition events genome-wide, we developed an unbiased genome-wide technique based on Illumina sequencing of genomic DNA.  In the second part of this thesis, we studied another regulator of telomerase activity, the long non-coding RNA (lncRNA) TERRA (telomeric repeats-containing RNA), which is transcribed from subtelomeric regions through the telomeric tracts. In S. cerevisiae, TERRA expression is controlled at the transcriptional level by the SIR complex and its degradation by the exonuclease Rat1. Nevertheless, short telomeres escape transcriptional inhibition and degradation to express TERRA at higher levels. TERRA serves as a regulator of telomerase, allowing the concentration and the targeting of telomerase activity to short telomeres. While studying TERRA expression, we observed that TERRA-expressing telomeres display a premature S-phase loss of cohesion. We propose that cohesin and telomere cohesion are regulators of TERRA expression. In addition, other groups have shown that TERRA expression was regulated in response to different cellular stress. This regulation seems to be independent from telomere length. In these contexts, we propose that oxidative stress and metabolic changes induced during the diauxic shift affect TERRA expression. We aim to study how the diauxic shift affects TERRA expression and study the role of cohesin in regulating TERRA expression. We were able to show that telomere cohesion inhibits TERRA expression and that short telomeres display a premature loss of cohesion to allow TERRA expression. This loss of cohesion is dependent on Sir4 and probably on Sir4-mediated telomere anchoring at the nuclear membrane. Additionally, we showed that TERRA transcription is increased during the diauxic shift, when yeast cells switch from fermentative glycolysis to oxidative respiration. Yeast cells in this phase also display a cytoplasmic accumulation of TERRA molecules.  Altogether, the articles presented in this thesis explore the interplay between cellular stresses such as DNA damage, telomere shortening, oxidative stress and respiratory metabolism, and their roles in the regulation of the localisation and expression of TLC1 RNA and TERRA.

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