Gene expression regulation is crucial for every biological process of the cell. In eukaryotes, different RNA polymerases (Pol) transcribe different sets of genes, with Pol II responsible mainly for protein-coding gene transcription, and Pol III transcribing non-coding genes mostly involved in Pol II gene expression. Here we studied two aspects of gene expression regulation with specific genomic arrangements. First, we studied the function of a MIR-SINE located within the first intron of a Pol II-transcribed gene, Polr3e, which encodes a subunit of Pol III. This MIR is highly occupied by Pol III, and, strikingly, Pol II accumulates at its 3' region, as revealed by chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays. CRISPR/Cas9- mediated removal of the MIR from the genome relieved the accumulation of Pol II at the 3' of the MIR and led to increased levels of Polr3e mRNA and POLR3E protein. This suggested that antisense transcription of the MIR by Pol III interfered with Pol II transcription of the Polr3e gene, slowing down Pol II elongation and thus leading to Pol II accumulation, a phenomenon we also observed for several other genes.
In the second part, we studied the dynamics of Pol III occupancy at Pol III genes during mouse liver regeneration by performing ChIPs followed by ultra high throughput sequencing (ChIP-seq) with liver samples collected at different times after partial hepatectomy (PH). We observed a general increase in Pol III occupancy at Pol III genes after PH, with genes lowly occupied before PH more affected. This increase was accompanied by an increase in the levels of several pre-tRNAs, as well as of mRNAs encoding several Pol III subunits and transcription factors. We investigated how Pol III genes are regulated differentially during liver regeneration by taking into account the surrounding H3K4me3 and Pol II peaks. We found that Pol II peaks surrounding Pol III peaks generally corresponded to Pol II TSSs. We showed that Pol III occupancy of tRNA genes surrounded by H3K4me3 and Pol II peaks, which have high occupancy levels before PH, tends to change less in liver regeneration than Pol III occupancy of tRNA genes with only a Pol III peak, which were more dynamic. This study revealed two main classes of tRNA genes: those close to Pol II genes, whose Pol III occupancy is relatively stable during liver regeneration, and those devoid of surrounding H3K4me3 and Pol II peaks, whose transcription is dynamic and responds to the increased need of cells for Pol III products during proliferation.
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La régulation de l'expression des gènes est cruciale pour chaque processus biologique de la cellule. Chez les eucaryotes, différentes ARN polymérases (Pol) transcrivent différents ensembles de gènes; la Pol II étant principalement responsable de la transcription des gènes codant les protéines, et la Pol III transcrivant les gènes non codants principalement impliqués dans l'expression des gènes Pol II. Nous avons étudié deux aspects de la régulation de l'expression des gènes: la régulation d'un gène transcript par la Pol II par le biais d'un gène interne transcript par la Pol III, et la régulation de la transcription par la Pol III durant la régération du foie.
Dans un premier temps, nous avons étudié la fonction d'un MIR-SINE situé dans le premier intron d'un gène transcrit par la Pol II, Polr3e, qui code pour une sous-unité de la Pol III. Ce MIR est fortement occupé par la Pol III et, de façon étonnante, plusieurs unités de Pol II s'accumulent dans sa région 3', comme le révèlent les analyses d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP). L'élimination de ce MIR du génome par CRISPR/Cas9 a diminué l'accumulation de la Pol II dans la région 3' du MIR et a entraîné une augmentation des taux d'ARNm de Polr3e et de la protéine POLR3E. Cela suggère que la transcription antisens du MIR par la Pol III interfère avec la transcription par la Pol II du gène Polr3e, ce qui ralentit l'élongation de la Pol II et conduit à l'accumulation d'unités de Pol II. Nous avons ensuite montré que ce genre de phénomène peut être observé pour plusieurs autres gènes.
Dans la deuxième partie, nous avons étudié la dynamique de l'occupation par la Pol III au niveau des gènes Pol III pendant la régénération du foie chez la souris, en effectuant des ChIPs suivies d'un séquençage à très haut débit (ChIP-seq) sur des échantillons de foie prélevés à différents moments après une hépatectomie partielle (HP). Nous avons observé une augmentation générale de l'occupation par la Pol III des gènes de Pol III après HP, les gènes peu occupés avant la HP étant plus affectés. Cette augmentation s'est accompagnée d'une augmentation des niveaux de plusieurs pré-ARNt, ainsi que des ARNm codant spécifiquement pour plusieurs sous-unités de la Pol III et pour des facteurs de transcription utilisés par la Pol III. Nous avons étudié comment différents gènes Pol III sont régulés dans la régénération hépatique en tenant compte des pics H3K4me3 et Pol II environnants. Nous avons constaté que les pics Pol II entourant les pics Pol III correspondaient généralement à des TSSs de la Pol II.
Nous avons montré que l'occupation par la Pol III des gènes d'ARNt entourés de pics H3K4me3 et Pol II, qui ont des niveaux d'occupation élevés avant la HP, tend à être plus stable durant la régénération hépatique que celle des gènes d'ARNt avec seulement un pic Pol III. Ces derniers ont des niveaux d'occupation par la Pol III relativement bas avant la HP, niveaux qui augmentent fortement pendant la régénération hépatique. Cette étude a mis en évidence deux grandes classes de gènes ARNt : ceux proches des gènes Pol II, dont l'occupation par la Pol III est relativement stable pendant la régénération hépatique, et ceux dépourvus des pics H3K4me3 et Pol II environnants, dont la transcription est dynamique et répond au besoin accru des cellules en produits de la Pol III pendant leur prolifération.
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L'information génétique des cellules est organisée dans leur génome. Cette information génétique, constituée de molécules d'ADN, peut être utilisée pour fabriquer des protéines qui remplissent des fonctions distinctes. La synthèse de différentes protéines à partir de différents gènes comprend la synthèse d'une molécule intermédiaire appelée ARN par un processus appelé transcription, processus qui est effectué par l'enzyme ARN polymérase (Pol) II. Cependant, certains ARN ne codent pas pour les protéines, mais ont des rôles régulateurs divers. La Pol III transcrit de nombreux gènes codant pour ces ARN.
La régulation de l'expression des gènes est cruciale, car sa dérégulation est observée dans de nombreuses maladies. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la régulation de la transcription de la Pol II et de la Pol III. Dans la première partie, nous avons observé que les gènes Pol III qui se trouvent à l'intérieur des gènes Pol II peuvent réguler la transcription des gènes Pol II à l'intérieur desquels ils résident; nous avons ainsi montré que la transcription de la Pol III pouvait interférer avec la transcription de la Pol II. Dans la deuxième partie, nous avons étudié la dynamique de la transcription par la Pol III pendant la régénération du foie chez la souris. Dans cette étude, nous avons effectué une hépatectomie partielle du foie de souris qui a conduit les cellules restantes à entrer en régénération, et étudié les liaisons génomiques par la Pol III et la Pol II à différents stades de cette régénération. Nous avons montré que la transcription par la Pol III augmente pendant la régénération. Nous avons également montré que la transcription des gènes Pol III proches des régions liées à Pol II ne changeait pas beaucoup pendant la régénération, alors que la transcription des gènes Pol III éloignés des gènes Pol II était plus dynamique. En conclusion, dans ces études, nous avons montré certains arrangements génomiques qui sont importants pour la régulation de l'expression des gènes.