Régulation des flux d'ARN par le complexe NuA4 acétyl-transférase – NumREx

Afin d’analyser finement le métabolisme de l’ARN, nous avons combiné des approches expérimentales et computationnelles complémentaires dans des cellules souches embryonnaires murines.

Nous avons généré des lignées cellulaires utilisant un système de dégradation inductible par l’auxine (AID), permettant une déplétion rapide et aiguë de TIP60 et de sous-unités du complexe ATAC, limitant ainsi les effets secondaires ou adaptatifs à long terme. Les taux de synthèse des ARN ont été mesurés par marquage métabolique suivi du séquençage des ARN nouvellement synthétisés. Pour caractériser la régulation post-transcriptionnelle, nous avons réalisé un séquençage des ARN issus des fractions nucléaire et cytoplasmique, permettant une évaluation directe de l’export et de la distribution subcellulaire des transcrits.

Ces données ont été intégrées à l’aide d’un cadre de modélisation biophysique quantitative, permettant d’estimer, pour chaque gène, les taux de transcription, d’épissage, d’export nucléaire et de dégradation cytoplasmique. Cette approche a permis de dépasser l’analyse des niveaux d’ARN à l’état stationnaire et de reconstruire les flux dynamiques d’ARN à grande échelle.

En parallèle, des expériences de FISH ont été utilisées pour visualiser les ARN polyadénylés et analyser leur distribution subnucléaire, notamment leur accumulation dans les speckles nucléaires en réponse aux perturbations transcriptionnelles. Des analyses fonctionnelles (prolifération, pluripotence, différenciation) ont permis d’ancrer ces résultats dans un contexte physiologique pertinent.

Nous avons d’abord établi que TIP60 contribue à l’export nucléaire de certaines classes d’ARN dans les mESCs, en particulier des transcrits intronless. Ce résultat est cohérent avec le rôle conservé du complexe NuA4/TIP60 dans le couplage entre transcription et export des ARN. Toutefois, l’ampleur de cet effet est restée limitée et ne permettait pas d’expliquer à elle seule les changements globaux d’abondance des ARN observés après déplétion de TIP60.

Le résultat majeur et inattendu du projet est la découverte du Gene-Specific Transcript Buffering (G-STaB). En combinant des mesures intégrées de la synthèse, de l’export et de la dégradation des ARN, nous avons montré que les variations transcriptionnelles induites par la déplétion de TIP60 sont systématiquement compensées par des ajustements opposés de l’export nucléaire et de la stabilité cytoplasmique, de manière spécifique à chaque gène.

Les gènes dont la transcription diminue présentent une rétention nucléaire accrue et une stabilité cytoplasmique augmentée, tandis que les gènes dont la transcription augmente montrent la tendance inverse. De manière remarquable, l’intensité de ces réponses compensatoires est proportionnelle à l’amplitude de la perturbation transcriptionnelle, ce qui permet de maintenir des niveaux d’ARN relativement constants pour la majorité des gènes.

Des expériences d’imagerie ont également révélé que l’inhibition transcriptionnelle entraîne une redistribution des ARN vers les speckles nucléaires, suggérant une dimension spatiale du G-STaB au sein du noyau. Enfin, l’observation de mécanismes similaires après perturbation du complexe ATAC démontre que le G-STaB constitue une réponse adaptative générale aux perturbations transcriptionnelles.

L’apport majeur de ce projet est l’identification du G-STaB comme un principe fondamental de la régulation de l’expression génique. Contrairement aux modèles classiques de tamponnement global, le G-STaB opère à l’échelle des gènes individuels, ajustant dynamiquement l’export et la stabilité des ARN en réponse à des variations spécifiques de la transcription.

Cette découverte ouvre plusieurs perspectives majeures. Quels sont les signaux moléculaires reliant l’activité transcriptionnelle d’un gène donné au devenir post-transcriptionnel de son ARN ? Des protéines liant l’ARN, des modifications de l’ARN ou des « marques » co-transcriptionnelles pourraient-elles encoder une information sur l’histoire transcriptionnelle d’un transcrit ? Comment ces mécanismes sont-ils modulés lors de transitions cellulaires majeures, telles que la différenciation, le stress ou la pathologie ?

Les travaux futurs viseront à élucider les bases moléculaires du G-STaB, à identifier les facteurs impliqués et à déterminer comment ce mécanisme est régulé selon les contextes cellulaires et développementaux. Plus largement, le G-STaB impose une relecture des données transcriptomiques : des niveaux d’ARN apparemment stables peuvent masquer des perturbations transcriptionnelles profondes. Ce projet ouvre ainsi de nouvelles perspectives conceptuelles et expérimentales pour l’étude de l’homéostasie de l’ARN chez les eucaryotes.

NuA4 est un complexe lysine-acétyltransférase conservé au cours de l'évolution qui joue un rôle important dans l'expression des gènes, en créant un environnement de chromatine favorable à la transcription. L'équipe du coordinateur a découvert que dans la levure en herbe, NuA4 favorise également l'exportation nucléaire de l'ARNm. L'exportation d'ARNm dépendant de NuA4 favorise la transition G1/S dans les cellules mères de levure et est inhibée dans les cellules filles par la désacétylase Hos3, pour empêcher l'entrée prématurée en phase S jusqu'à ce que les filles atteignent une taille de cellule critique. La levure NuA4 favorise l'exportation d'ARNm par acétylation de complexes de pores nucléaires, qui assurent le transport des ARNm vers le cytoplasme. De plus, des données préliminaires révèlent que NuA4 est également impliqué dans l'exportation d'ARNm dans les cellules souches embryonnaires de souris. Ces résultats révèlent un double rôle pour NuA4 dans le contrôle de l'expression des gènes, au niveau de la transcription et de l'exportation de l'ARNm. Cette proposition vise à établir le mécanisme moléculaire par lequel NuA4 favorise l'exportation selective d'ARNm dans la levure et les cellules souches embryonnaires, en utilisant des approches de génétique, d'imagerie et de génomique.