Deciphering the regulatory mechanisms responsible for gene expression chronology in Saccharomyces cerevisiae

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Serval ID
serval:BIB_7BB244F24B80
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
Deciphering the regulatory mechanisms responsible for gene expression chronology in Saccharomyces cerevisiae
Author(s)
Pinheiro Sandrine
Director(s)
Pelet Serge
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2024
Language
english
Number of pages
151
Abstract
From yeast to mammalian cells, the family of serine-threonine kinases called Mitogen- Activated Protein Kinases (MAPKs) transduces various signals detected at the cell periphery to trigger an appropriate cellular response, such as cell differentiation. Understanding the complex molecular process involved in a cell’s decision to transition from one fate to another is a key question in developmental biology.
Saccharomyces cerevisiae is a single-celled organism capable of differentiation, making it a simplified model for investigating the molecular mechanisms involved in cell fate decisions. As an illustration, mating in yeast is a cellular process carefully orchestrated that enables a haploid cell to transition to a diploid cell. To achieve this, the mating pathway is composed of a MAPK cascade that relays pheromone signals detected at the cell surface towards the nucleus. There, the major transcription factor Ste12 activates a new transcriptional program by binding to the consensus DNA-binding motif 5’-TGAAACA-3’, commonly termed Pheromone Response Elements (PREs). Subsequently, a set of genes is expressed with a precise chronology. The high diversity in PRE-arrangements present in the promoter sequences of these genes is decoded by Ste12 and appears as a strategy by which yeast cells use a main transcription factor to modulate the timing and expression level of a set of genes which will dictate the cell fate.
By designing synthetic pheromone-responsive promoters, we deciphered the PRE- arrangements decoded by Ste12 to dictate rapid gene expression. The dynamics was found to be affected by changes in the distance, the orientation and the affinity of these PRE- arrangements. Their positioning along the promoter was also crucial, as the presence of nucleosomes affected both the level and the dynamic of gene expression. It was discovered that Ste12 interacts and forms homo-dimers on promoters via its N-terminal region. It is also rapidly loaded onto synthetic promoters carrying favorable PRE-arrangements. A predictive model was developed based on the gathered information, enabling modification and anticipation of the expression dynamics of mating genes. Since the timing of gene expression may play a crucial role in determining cell fate, understanding how a transcription factor dictates gene expression chronology based on DNA motif arrangements in yeast may provide insights into the regulatory mechanisms used by eukaryotic cells to regulate cell differentiation.
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De la levure aux cellules de mammifères, la famille de sérine- thréonine kinases appelée Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) transduit divers signaux détectés à la périphérie de la cellule en une réponse cellulaire appropriée, telle que la différenciation cellulaire. La compréhension des processus moléculaires complexes impliqués dans la décision d'une cellule de passer d'un destin à un autre est une question clé en biologie du développement. Saccharomyces cerevisiae est un organisme unicellulaire capable de différenciation, ce qui en fait un modèle simplifié pour l'étude des mécanismes moléculaires impliqués dans les décisions relatives au destin cellulaire. À titre d'illustration, l'accouplement chez la levure est un processus cellulaire soigneusement orchestré qui permet à une cellule haploïde de passer à une cellule diploïde. Pour ce faire, la voie d'accouplement est composée d'une cascade de MAPK qui relaie les signaux de phéromones détectés à la surface de la cellule vers le noyau via la régulation de la protéine Ste12. Ce facteur de transcription majeur active un nouveau programme transcriptionnel en se liant au motif consensus de liaison à l'ADN 5'-TGAAACA- 3', pour déclencher l'expression de ces gènes selon une chronologie précise. La grande diversité de l’arrangement des motifs présents dans les séquences promotrices des gènes d'accouplement est décodée par Ste12 et apparaît comme une stratégie par laquelle les cellules de levure utilisent un facteur de transcription principal pour moduler le moment et le niveau d’expression d'un ensemble de gènes qui dicteront le destin de la cellule.
En concevant des promoteurs synthétiques répondant à la phéromone, nous avons décrypté l’arrangement de ces motifs décodés par Ste12 pour dicter l’expression rapide des gènes. Il s’est avéré que la dynamique était affectée par des changements dans la distance, l’orientation et l’affinité de ces motifs. Leur position le long du promoteur est également cruciale, car la présence de nucléosomes affecte à la fois le niveau et la dynamique de l’expression des gènes. Il a été découvert que Ste12 interagit et forme des homo-dimères sur les promoteurs via la région N-terminale. La protéine est également rapidement chargée sur des promoteurs synthétiques portant des motifs aux arrangements favorables. Un modèle
prédictif a été développé sur la base des informations recueillies, permettant de modifier et d'anticiper la dynamique d'expression des gènes d'accouplement. Étant donné que la chronologie de l'expression des gènes peut jouer un rôle crucial dans la détermination du destin cellulaire, comprendre comment un facteur de transcription dicte la chronologie de l'expression des gènes sur la base de l'arrangement des motifs de l'ADN chez la levure peut fournir des indications sur les mécanismes de régulation utilisés par les cellules eucaryotes pour réguler la différenciation cellulaire.
Public summary
Deciphering the regulatory mechanisms responsible for gene expression chronology in Saccharomyces cerevisiae
Sandrine Pinheiro, Department of Fundamental Microbiology, Lausanne.
A key question in developmental biology is how cell fate is determined. In order to decipher the regulatory mechanisms involved in such a complex process, we have used Saccharomyces cerevisiae as a simplified eukaryotic model.
Cells are capable of sensing their environment and transduce signals in order to trigger an appropriate response. One conserved family in eukaryotes is the Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) which transduces various signals detected at the cell periphery into an appropriate cellular response, such as cell differentiation. Despite its simplicity, the baker’s yeast is also capable of differentiation. One example is the mating, in which two haploid cells mate to produce a diploid cell. For the process to take place correctly, a MAPK pathway transmits the information detected at the surface and integrates it into the cell by activating a transcription factor called Ste12. This protein in turn binds to a specific DNA motifs called PREs, activating a new set of genes. Interestingly, these PRE-arrangements present in the promoter sequence of mating genes appear as a strategy by which a single transcription factor can modulate the timing and the expression level of a set of genes which will dictate the cell fate.
In this work, we have shown that a limited number of PRE-conformations can be decoded by the protein in order to induce fast gene expression. The conformations observed were also found to be highly sensitive to changes in orientation, spacing, affinity, number and location on the DNA as nucleosomes represent an obstacle. We also have shown that Ste12 associates with the DNA and forms a stable dimer through its DNA binding domain. Finally, having brought together all the information collected, a model was built to allow to anticipate the and modify the speed on the basis of the PRE-sites found on the DNA and the nucleosome positioning. Since the timing of gene expression may play a crucial role in determining cell fate, understanding how a transcription factor dictates gene expression chronology based on DNA motif arrangements in yeast may provide insights into the regulatory mechanisms used by eukaryotic cells to regulate cell differentiation.
Résumé pour le public
Une question clé en biologie du développement est de savoir comment le destin cellulaire est déterminé. Afin de décrypter les mécanismes de régulation impliqués dans un processus aussi complexe, nous avons utilisé Saccharomyces cerevisiae comme modèle eucaryote simplifié.
Les cellules sont capables de sentir leur environnement et de transduire les signaux afin de déclencher une réponse appropriée. Une famille conservée chez les eucaryotes est celle des protéines kinases activées par les mitogènes (MAPK) qui transduisent divers signaux détectés à la périphérie de la cellule en une réponse cellulaire appropriée, telle que la différenciation cellulaire. Malgré sa simplicité, la levure de boulangerie est également capable de se différencier. Un exemple est l'accouplement, dans lequel deux cellules haploïdes s'accouplent pour produire une cellule diploïde. Pour que le processus se déroule correctement, une voie MAPK transmet l'information détectée à la surface et l'intègre dans la cellule en activant un facteur de transcription appelé Ste12. Cette protéine se lie à son tour à des motifs d'ADN, activant ainsi un nouvel ensemble de gènes. Il est intéressant de noter que l’arrangement de ces motifs, présents dans la séquence promotrice des gènes d'accouplement, apparaissent comme une stratégie par laquelle un seul facteur de transcription peut moduler le moment et le niveau d'expression d'un ensemble de gènes pour dicter le destin de la cellule.
Dans ce travail, nous avons montré qu'un nombre limité de conformations peut être décodé par la protéine afin d'induire une expression génétique rapide. Les conformations observées se sont également révélées très sensibles aux changements d'orientation, d'espacement, d'affinité, de nombre et d'emplacement sur l'ADN, les nucléosomes représentant un obstacle. Nous avons également montré que Ste12 s'associe à l'ADN et forme un dimère stable grâce à son domaine de liaison à l'ADN. Enfin, après avoir rassemblé toutes les informations recueillies, un modèle a été construit pour permettre d'anticiper et de modifier la vitesse sur la base des sites PRE trouvés sur l'ADN et du positionnement des nucléosomes.
Étant donné que la chronologie de l'expression des gènes peut jouer un rôle crucial dans la détermination du destin cellulaire, comprendre comment un facteur de transcription dicte la chronologie de l'expression des gènes sur la base de l'arrangement des motifs de l'ADN chez la levure peut fournir des indications sur les mécanismes de régulation utilisés par les cellules eucaryotes pour réguler la différenciation cellulaire.
Create date
18/12/2024 12:17
Last modification date
22/01/2025 7:14
Usage data