Modifications des extrémités 3' des ARNm par addition de nucléotides: impact sur la traduction et la dégradation des ARNm chez Arabidopsis thaliana – 3'modRN

L'originalité méthodologique principale du projet 3'modRN est l'utilisation de nouvelles techniques d'analyse globale des modifications par ajout de nucléotides à l'extrémité 3' des ARNm. Nous développons des protocoles pour la production de banques adéquates et leur analyse, permettant de déterminer les additions de nucléotides en 3' des ARNm dans des génotypes variés de plants d'Arabidopsis cultivés en conditions optimales ou confrontés à un stress thermique chaud. Nous comparons les dynamiques globales des modifications des extrémités 3' des ARNm pour la population totale des ARNm ou pour ceux en cours de traduction.

Les résultats principaux du projet 3’modRN en cours correspondent à l’identification des terminal nucléotidyltransférases (TNTases) impliquées dans la modification des extrémités 3’ des ARNm chez Arabidopsis. Ces TNTases incluent des terminal uridylyltransférases (TUTases) qui uridylent les ARNm. De manière intéressante, des TUTases distinctes ciblent différentes sous-populations d’ARNm et l’uridylation de ces différentes sous-populations a un impact distinct sur le devenir des ARNm. Le réseau différentiel d’interaction de ces TUTases est en cours de caractérisation afin d’identifier de nouveaux facteurs impliqués dans le métabolisme des ARNm uridylés. D’autres composants majeurs de la voie d’uridylation des ARNm sont identifiés via un crible génétique direct. La caractérisation moléculaire et phénotypique des mutants correspondants cultivés en conditions optimales ou en réponse à un stress thermique permettra l’identification de nouveaux facteurs de la réponse au stress et liés à l’uridylation des ARNm.

L’identification de nouveaux composants impliqués dans la réponse au stress thermique et de nouveaux rôles liés à l’uridylation des ARNm constituent les perspectives principales de ce projet en cours.

Scheer H, Zuber H, De Almeida C and Gagliardi D (2016) Uridylation earmarks mRNAs for degradation… and more
Trends in Genetics 32:607-619. doi: 10.1016/j.tig.2016.08.003

La stabilité et l’activité traductionnelle des ARNm sont des points de contrôle clés et interconnectés de la régulation de l’expression des gènes. Elles sont massivement reprogrammées au cours des transitions développementales ou pendant les phases d’acclimatation aux conditions exogènes. Les modifications des ARNm et leur dynamique émergent comme de nouveaux acteurs importants de ces régulations. Les modifications des ARNm incluent des modifications des nucléotides (ex. la méthylation des adénosines) et l’addition de nucléotides (ex. l’uridylation) en 3’ des queues poly(A).
L’objectif de 3’modRN est de comprendre en quoi les modifications 3’ des ARNm participent au contrôle et à la reprogrammation de l’expression des gènes en réponse au stress, en utilisant l’organisme modèle Arabidopsis thaliana. Nous avons identifié chez Arabidopsis, deux types d’uridylation de fonctions distinctes, un cas unique à ce jour chez les eucaryotes. L’uridylation dépendant de URT1 protège les ARNm avec de courtes queues poly(A) d’une déadénylation excessive et prévient la formation de transcrits tronqués en 3’, alors que le second type d’uridylation semble jouer un rôle antagoniste, stimulant la dégradation. Nous avons aussi prouvé que le stress thermique qui inhibe l’initiation de traduction provoque aussi du “ribosome pausing”, favorisant la dégradation de 25% des ARNm d’Arabidopsis soit dans le cytosol soit dans les polysomes. La dégradation co-traductionnelle implique la 5’-3’ exoribonucléase XRN4. De façon intéressante, l’uridylation par URT1 protège les extrémités 3’ des ARNm polysomaux, suggérant que URT1 pourrait favoriser la polarité 5’-3’ de la dégradation polysomale. De plus, des plantes déficientes pour l’uridylation perdent leur capacité à s’adapter à un stress thermique modéré, présentent une sénescence précoce et une réduction extrême de production de graines. Ces observations supportent un rôle majeur de l’uridylation dans la régulation de l’expression des gènes au cours du développement ou en réponse à des conditions environnementales adverses. Cependant, notre compréhension de la façon dont l’uridylation et les autres sortes de modifications 3’ affectent la stabilité, l’activité traductionnelle et la dégradation polysomale des ARNm reste très parcellaire dans les organismes multicellulaires.
Dans le cadre du projet 3’modRN, nous déterminerons le profil d’uridylation global dépendant d’URT1 ou non, ainsi que les autres types de modification des extrémités 3’ du transcriptome. Nous utiliserons la nouvelle méthode de TAIL-seq reposant sur du séquençage haut débit, bénéficiant du support technique de N. Kim qui a développé cette méthode. La cartographie et la dynamique des modifications 3’ seront établies sur des ARNm totaux et polysomaux en condition contrôle et en réponse au stress thermique (WP1). Nous identifierons de nouveaux acteurs de la déposition et de la fonction des modifications 3’ en utilisant des stratégies de génétique directe et inverse (WP2). Nous évaluerons l’impact des modifications 3’ sur le taux de dégradation et l’activité traductionnelle des ARNm en réponse au stress thermique (WP3) et sur le processus de dégradation co-traductionnelle (WP4).
Les partenaires du consortium ont récemment contribué significativement à la compréhension des processus d’uridylation et de mise en place des dégradations cytosolique et co-traductionnelle des ARNm en réponse au stress thermique. La complémentarité de leur expertise et leur intérêt commun pour les processus de dégradation sont les garants de la réussite de ce projet. En conclusion, le projet 3’modRN produira des connaissances cruciales sur la fonction des modifications 3’ des ARNm à travers l’identification des acteurs de ces processus de régulation et l’étude de leur implication dans le contrôle de la traduction et de la stabilité des ARNm en réponse au stress abiotique.