Etude de la fonction de l'hélicase Prp43 dans la synthèse des ribosomes et des connexions entre synthèse et maturation du pré-ARN ribosomique chez la levure

Dans les cellules eucaryotes, la biogenèse des ribosomes débute par la transcription des unités répétées d'ADN ribosomique (ADNr) par l'ARN polymérase I (Pol I). Ce processus génère un transcrit primaire (pré-ARNr), qui contient les séquences correspondant aux ARNr matures 18S, 5.8S et 25S. Le quatrième ARNr (5S) est transcrit indépendamment par Pol III. Le pré-ARNr s'associe de manière co-transcriptionnelle avec des protéines ribosomiques et de nombreux facteurs de maturation pour former une grande particule pré-ribosomique précoce appelée " particule 90S ". Cette particule précoce subit des étapes complexes de maturation générant les particules pré-40S et pré-60S à l'origine des deux sous-unités ribosomiques matures. Une partie de mes travaux de thèse a consisté en l'étude de l'hétérodimère Rpf2-Rrs1 chez la levure. Cet hétérodimère est connu pour son rôle essentiel dans le recrutement au sein des pré-ribosomes de la RNP 5S, une particule contenant l'ARNr 5S associé aux protéines ribosomiques RpL5 et RpL11. Nous avons révélé que Rpf2 et Rrs1 interagissent avec la chromatine de l'ADNr par des expériences d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP) et que cette interaction ne dépend pas de l'intégrité des particules pré-ribosomiques. De plus, Rpf2 et Rrs1 interagissent avec des sous-unités de la Pol I et avec plusieurs facteurs associés à la chromatine de l'ADNr in vivo. Ces données suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 est impliqué dans la régulation de la transcription Pol I en plus de sa fonction dans l'assemblage des pré-ribosomes. Nous avons observé par des expériences d'étalements de Miller que la perte d'expression de Rpf2 et Rrs1 est corrélée avec de fortes perturbations dans l'organisation des unités d'ADNr. Grâce à des expériences de " run-on ", une technique permettant d'évaluer la présence de Pol I actives sur l'ADNr in vivo, j'ai pu montrer par ailleurs que la perte d'expression de Rpf2 et Rrs1 affecte fortement le niveau de transcription Pol I. Des expériences complémentaires suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 semble être présent sur l'ADNr en absence de transcription Pol I et a la capacité d'interagir directement avec l'ARN Pol I purifiée in vitro. Ces résultats suggèrent que le complexe Rpf2-Rrs1 joue un rôle crucial dans la coordination fonctionnelle entre transcription de l'ADNr et assemblage des particules pré-ribosomiques chez la levure. Une autre partie de mes travaux de thèse a porté sur l'étude de l'hélicase Prp43p. Prp43p est une hélicase à boite DEAH impliquée à la fois dans la synthèse des ribosomes et dans l'épissage des pré-ARNm. Cette hélicase interagit avec des protéines à domaine G-patch qui stimulent son activité enzymatique in vitro par un mécanisme inconnu. Durant ma thèse, nous avons pu montrer que l'activation de Prp43 par des protéines à domaine G-patch semble être en lien avec le mode unique de liaison de l'ATP par cette famille d'hélicases. Des données structurales indiquent que la base purique de la molécule d'ATP est empilée entre l'arginine 159 (R159) du domaine RecA1 et la phénylalanine 357 (F357) du domaine RecA2 dans le site actif de Prp43. L'étude in vitro d'un mutant de Prp43 portant une substitution du résidu F357 en alanine (F357A), nous a permis de montrer que l'absence de l'empilement de la base de l'ATP avec le résidu F357 découple les activités ATPase et hélicase de Prp43. En revanche, la substitution du résidu R159 en alanine affecte à la fois les activités ATPase et hélicase de l'enzyme. Nous avons observé par ailleurs que le mutant R159A induit le même phénotype que celui résultant de l'absence de la protéine Gno1, un des partenaires à domaine G-patch de Prp43. Ce résultat suggère fortement que les défauts de maturation observés en l'absence de Gno1 résultent d'un défaut d'activation de l'activité hélicase de Prp43. Ainsi l'empilement de la base nucléotidique entre les résidus F357 et R159 parait important pour l'activité et la régulation de cette famille d'hélicases.In eukaryotic cells, ribosome synthesis begins with the transcription of ribosomal DNA (rDNA) by RNA polymerase I (Pol I). This process generates a primary transcript (pre-rRNA), containing the sequences corresponding to the mature 18S, 5.8S and 25S rRNAs. The fourth rRNA (5S) is transcribed independently by RNA Pol III. The pre-rRNA associates co-transcriptionally with some ribosomal proteins and many maturation factors to generate a large initial pre-ribosomal particle called the 90S particle. This particle undergoes a complex maturation process generating the pre-40S and pre-60S particles that will generate the mature ribosomal subunits. The first part of my thesis work consisted in the study of the Rpf2-Rrs1 heterodimer in yeast. This heterodimer is known to be essential for the maturation of pre-60S particles through the recruitment of the 5S RNP, a module containing the 5S rRNA associated to ribosomal proteins RpL5 and RpL11. We showed that Rpf2 and Rrs1 interact with rDNA chromatin using chromatin immunoprecipitation (ChIP) experiments and that this interaction does not depend on the integrity of the pre-ribosomal particles. Moreover, both Rpf2 and Rrs1 interact with Pol I subunits and with several rDNA chromatin-associated factors in vivo. These data suggest a function of the Rpf2-Rrs1 heterodimer in the regulation of Pol I transcription in addition to its role in the maturation of pre-60S particles. Interestingly, we observed using Miller spread experiments that loss of expression of Rpf2 or Rrs1 is correlated with strong perturbations in the organization of rDNA units. Using the "run-on" experiment, a technique allowing to determine the occupancy of active polymerases on the rDNA units, I further showed that loss of expression of Rpf2 or Rrs1 strongly affects Pol I transcription in yeast cells. Additional experiments suggest that the Rpf2-Rrs1 complex is present on rDNA units in absence of Pol I transcription in vivo and interacts with purified Pol I in vitro. These data strongly suggest that the Rpf2-Rrs1 heterodimer is a prime candidate to plays a crucial role in the functional coupling between rDNA transcription and pre-ribosome assembly in yeast cells. The second part of my thesis work focused on the study of the Prp43 helicase in yeast. Prp43 is a helicase from the DEAH/RHA family required for both the synthesis of ribosomes and the splicing of pre-mRNAs. Prp43 interacts with G-patch domain-containing proteins which activate its enzymatic activity in vitro by an unknown mechanism. During my thesis, we showed that the activation of Prp43 by G-patch proteins seems to be linked to the unique nucleotide binding mode of this helicase family. Previous structural data showed that the base of the ATP molecule is stacked between two residues, R159 of the RecA1 domain and F357 of the RecA2 domain in the active site of Prp43. The in vitro study of a Prp43 mutant bearing a substitution of F357 to an alanine (F357A) showed that the lack of stacking of the nucleotide base to the F357 residue uncouples the NTPase and helicase activities of Prp43 in vitro. In contrast the substitution of R159 to an alanine (R159A) reduced both the ATPase and helicase activities of the enzyme. We observed in addition that the Prp43 R159A mutation induces the same phenotype as the one resulting from the absence of Gno1, one of the G-patch domain-containing partners of Prp43. This result strongly suggests that the processing defects observed in the absence of Gno1 result from a failure to activate the Prp43 helicase. Overall we propose that the stacking of the ATP base between residues R159 and F357 is important for the activity and regulation of this helicase family