Deciphering mRNP – nuclear pore interactions : study of basket protein dynamics in budding yeast

The export of mRNAs from the nucleus to the cytoplasm is one of many steps along the gene expression pathway and is fundamental for mRNAs to meet with ribosomes for translation in the cytoplasm. Exchanges between nucleus and cytoplasm occur through the nuclear pore complex (NPC), which is a large multi-protein complex embedded in the nuclear membrane and assembled by 30 different proteins the nucleoporins. The nucleoplasmic side of the pore is believed to orchestrate many fundamental nuclear processes. Indeed, a growing body of evidence suggests that the nuclear pore is involved in a broad range of activities including modulation of DNA topology, DNA repair, epigenetic regulation of gene expression, and selective access to exporting molecules. The structural component required for orchestrating those nucleoplasmic functions is the basket, a ∼60- to 80-nm-long structure protruding into the nucleoplasm. The consensus view depicts the basket as a structure assembled by filamentous proteins, TPR (Translocated Promoter Region protein) in humans and by its two paralogues Mlp1 and Mlp2 (myosin-like proteins) in yeast, converging into a distal ring. In the first part of this thesis, we characterized the motion of specific mRNAs at the vicinity of the nuclear periphery. We observed that transcripts scan along the nuclear envelope, likely to find a nuclear pore to be exported. We also showed the scanning behavior was affected upon Mlp1 deletion or truncation as well as upon mutation of the nuclear poly(A) binding protein Nab2. These observations indicated that Mlp1 and hence baskets, as well as specific RNA binding proteins, facilitate the interaction of mRNA with the nuclear periphery. While the canonical structure of the NPC is well established, our understanding of the conditions and factors contributing to the assembly of a basket, as well as the stoichiometry of its components, remains incomplete. Although basket proteins have been implicated in the regulation of gene expression through gene anchoring to the nuclear periphery and in mRNA scanning before export, how this is mediated by Mlp1/2 is poorly understood. Moreover, the dynamics of basket proteins in yeast seem to obey different rules than those of other nucleoporins as their turnover at the pore is faster than any other NPC components. Furthermore, it has been observed that during heat shock Mlp1 and Mlp2 dissociate from nuclear pores and form intra-nuclear granules, sequestering mRNAs and RNA export factors. Yet the mechanism for the formation of these granules or their role during heat shock is poorly understood. In yeast, the nuclear baskets are not associated with all NPCs, as no baskets assemble on the pores adjacent to the nucleolus. Yet, how cells establish these basket-less pores and whether they represent specialized nuclear pores with different functions from basket-containing pores is still unknown. To understand the dynamics of basket assembly and the biological relevance of establishing distinct sets of pores, we dissected the biological processes leading to the formation of baskets. In addition, to highlight potential functional differences between the two types of pores, we identified the interactors of nuclear basket-containing and nucleolar basket-less pores. We showed that assembling a basket is not a default mode for a pore in the nucleoplasm and that active mRNA processing is required to maintain baskets integrity. While mRNA can be found associated with both types of pores, our results suggest that export kinetics may be different on basket-containing and basket-less pores. The eukaryotes organize their nucleus in discrete functional regions and the nuclear envelope has been envisioned as an organelle by and of itself. Our analyzes indicate that mRNAs and Mlp1 participate in an additional degree of nuclear compartmentalization by enabling the formation of a dynamic structure: the basket. Overall my project sheds new light on the nuclear organization and highlights the surprising entanglement between mRNA export and NPC plasticity. L'exportation des ARN messagers du noyau vers le cytoplasme est l'une des nombreuses étapes de la voie d'expression des gènes et est fondamentale pour que les ARNm rencontrent les ribosomes pour être traduits dans le cytoplasme. Les échanges entre le noyau et le cytoplasme se font par l'intermédiaire du complexe du pore nucléaire, qui est un grand complexe multiprotéique enchâssé dans la membrane nucléaire et assemblé par 30 protéines différentes, les nucléoporines. Le versant nucléoplasmique du pore orchestre de nombreux processus nucléaires fondamentaux. En effet, un nombre croissant d’études suggère que le pore nucléaire est impliqué dans un large éventail d'activités, notamment la modulation de la topologie de l'ADN, la réparation de l'ADN, la régulation épigénétique de l'expression des gènes et l'accès sélectif aux molécules candidates à l’export. Le composant structurel nécessaire pour orchestrer ces fonctions nucléoplasmiques est appelé le panier une structure de ∼60 à 80 nm de long faisant saillie dans le nucléoplasme. Une vision consensuelle dépeint le panier comme une structure assemblée par des protéines filamenteuses convergeant en un anneau distal, TPR (Translocated Promoter Region protein) chez l'homme et par ses deux paralogues Mlp1 et Mlp2 (myosin-like proteins) chez la levure. Dans la première partie de cette thèse, nous avons caractérisé le mouvement d'ARNm spécifiques au voisinage de la périphérie nucléaire. Nous avons observé que les transcrits scannent l'enveloppe nucléaire, probablement pour trouver un pore nucléaire afin d'être exportés. Nous avons également montré que ce comportement était affecté par la délétion ou la troncation de Mlp1 ainsi que par la mutation de la protéine de liaison aux queues poly(A) Nab2. Ces observations indiquent que Mlp1 et donc les paniers, ainsi que des protéines liant l’ARN, facilitent l'interaction des ARNm avec la périphérie nucléaire. Alors que la structure canonique du pore nucléaire est bien établie, notre compréhension des conditions et des facteurs contribuant à l'assemblage du panier, ainsi que de la stoechiométrie de ses composants, reste incomplète. Bien que les protéines du panier soient impliquées dans la régulation de l'expression des gènes par l'ancrage des gènes à la périphérie nucléaire et dans le recrutement des ARNm avant leur export, la manière dont le panier intervient dans ce processus est mal comprise. De plus, la dynamique des protéines du panier chez la levure semble obéir à des 6 règles différentes de celles des autres nucléoporines, car leur renouvellement (turn over) au niveau du pore est plus rapide que celui des autres composants du NPC. De plus, il a été observé que lors d'un choc thermique, Mlp1 et Mlp2 se dissocient des pores nucléaires et forment des granules intra-nucléaires, séquestrant les ARNm et les facteurs d'exportation d'ARN. Pourtant, le mécanisme de formation de ces granules ou leur rôle pendant le choc thermique est mal compris. Chez la levure, le panier nucléaire n'est pas associé à tous les pores nucléaires, et les paniers sont absents des pores adjacents au nucléole. La manière dont les cellules établissent ces pores sans paniers et s'ils représentent des pores nucléaires spécialisés ayant des fonctions différentes des pores contenant des corbeilles n’est pas connue. Pour comprendre la dynamique de l'assemblage des paniers et la pertinence biologique de former de deux types de pores distincts, nous avons disséqué les processus biologiques menant à la formation des paniers. De plus, afin de mettre en évidence les différences fonctionnelles potentielles entre les deux types de pores nous avons étudié les protéines associées aux pores contenant un panier nucléaire et des pores sans panier. Nous avons montré que l'assemblage d'un panier n'est pas un mode par défaut pour un pore dans le nucléoplasme et que la formation et la maturation des ARNm est nécessaire pour maintenir l'intégrité des paniers. Alors que l'ARNm peut être trouvé associé aux deux types de pores, nos résultats suggèrent que la cinétique d’export peut être différente sur les pores avec et sans panier. Les eucaryotes organisent leur noyau en régions fonctionnelles discrètes et l'enveloppe nucléaire a été envisagée comme pouvant être une organelle à part entière. Nos analyses indiquent que les ARNm et Mlp1 participent à un degré supplémentaire de compartimentation nucléaire en permettant la formation d'une structure dynamique : le panier. Mon projet apporte un nouvel éclairage sur l'organisation des compartiments nucléaire et met en évidence l'intrication surprenante entre l'export des ARNm et la plasticité des pores nucléaires.

Keyphrases: Nuclear pore complexes, Nuclear basket, Mlp1 protein dynamic(s), mRNA metabolisms, Pores nucléaires, Paniers nucléaires, Dynamiques des protéines Mlp1, Métabolisme des ARN messager