Academic literature on the topic 'RNA G-Quadruplexes'

G-quadruplexes are the non-canonical nucleic acid structures that are preferentially formed in G-rich regions. This structure has been shown to be associated with many biological functions. Regardless of the broad efforts on DNA G-quadruplexes, we still have limited knowledge on RNA G-quadruplexes, especially in a transcriptome-wide manner. Herein, by integrating the DMS-seq and the bioinformatics pipeline, we profiled and depicted the RNA G-quadruplexes in the human transcriptome. The genes that contain RNA G-quadruplexes in their specific regions are significantly related to immune pathways and the COVID-19-related gene sets. Bioinformatics analysis reveals the potential regulatory functions of G-quadruplexes on miRNA targeting at the scale of the whole transcriptome. In addition, the G-quadruplexes are depleted in the putative, not the real, PAS-strong poly(A) sites, which may weaken the possibility of such sites being the real cleaved sites. In brief, our study provides insight into the potential function of RNA G-quadruplexes in post-transcription.

AbstractGuanine (G)-rich single-stranded nucleic acids can adopt G-quadruplex structures. Accumulating evidence indicates that G-quadruplexes serve important regulatory roles in fundamental biological processes such as DNA replication, transcription, and translation, while aberrant G-quadruplex formation is linked to genome instability and cancer. Understanding the biological functions played by G-quadruplexes requires detailed knowledge of their protein interactome. Here, we report that both RNA and DNA G-quadruplexes are bound by human Dicer in vitro. Using in vitro binding assays, mutation studies, and computational modeling we demonstrate that G-quadruplexes can interact with the Platform–PAZ–Connector helix cassette of Dicer, the region responsible for anchoring microRNA precursors (pre-miRNAs). Consequently, we show that G-quadruplexes efficiently and stably inhibit the cleavage of pre-miRNA by Dicer. Our data highlight the potential of human Dicer for binding of G-quadruplexes and allow us to propose a G-quadruplex-driven sequestration mechanism of Dicer regulation.

G-quadruplexes turned out to be important targets for the development of novel targeted anticancer/antiviral therapies. More than 3000 G-quadruplex small-molecule ligands have been described, with most of them exerting anticancer/antiviral activity by inducing telomeric damage and/or altering oncogene or viral gene expression in cancer cells and viruses, respectively. For some ligands, in-depth NMR and/or crystallographic studies were performed, providing detailed knowledge on their interactions with diverse G-quadruplex targets. Here, the PDB-deposited NMR and crystal structures of the complexes between telomeric, oncogenic or viral G-quadruplexes and small-molecule ligands, of both organic and metal-organic nature, have been summarized and described based on the G-quadruplex target, from telomeric DNA and RNA G-quadruplexes to DNA oncogenic G-quadruplexes, and finally to RNA viral G-quadruplexes. An overview of the structural details of these complexes is here provided to guide the design of novel ligands targeting more efficiently and selectively cancer- and virus-related G-quadruplex structures.

Abstract G-quadruplexes are non-helical secondary structures that can fold in vivo in both DNA and RNA. In human cells, they can influence replication, transcription and telomere maintenance in DNA, or translation, transcript processing and stability of RNA. We have previously showed that G-quadruplexes are detectable in the DNA of the malaria parasite Plasmodium falciparum, despite a very highly A/T-biased genome with unusually few guanine-rich sequences. Here, we show that RNA G-quadruplexes can also form in P. falciparum RNA, using rG4-seq for transcriptome-wide structure-specific RNA probing. Many of the motifs, detected here via the rG4seeker pipeline, have non-canonical forms and would not be predicted by standard in silico algorithms. However, in vitro biophysical assays verified formation of non-canonical motifs. The G-quadruplexes in the P. falciparum transcriptome are frequently clustered in certain genes and associated with regions encoding low-complexity peptide repeats. They are overrepresented in particular classes of genes, notably those that encode PfEMP1 virulence factors, stress response genes and DNA binding proteins. In vitro translation experiments and in vivo measures of translation efficiency showed that G-quadruplexes can influence the translation of P. falciparum mRNAs. Thus, the G-quadruplex is a novel player in post-transcriptional regulation of gene expression in this major human pathogen.

RNA G-quadruplex (G4) structures are thought to affect biological processes, including translation and pre-mRNA splicing, but it is not possible at present to demonstrate that they form naturally at specific sequences in long functional RNA molecules. We developed a new strategy, footprinting of long 7-deazaguanine-substituted RNAs (FOLDeR), that allows the formation of G4s to be confirmed in long RNAs and under functional conditions.

Les G-quadruplexes (G4s) sont des structures non-canoniques d’acides nucléiques (ADN et ARN) constituées d’au moins deux quartets de guanines. L’une des propriétés importantes des G4s est leur capacité à former des complexes avec de petites molécules exogènes (ligands) et d’influencer ainsi les processus biologiques dans lesquels ils sont impliqués. Ainsi, l’interaction de petites molécules avec certaines structures G4s permettrait de diminuer l’expression de certains oncogènes, d’inhiber la télomérase ou encore d’induire des dommages à l’ADN. Ce travail vise à développer des méthodologies rapides et simples pour la synthèse et le criblage des molécules afin d’identifier des ligands sélectifs et affins de structures non-canoniques d’acides nucléiques, en particulier des G4s. Plus précisément, ce travail explore la synthèse réversible d’acylhydrazones, jusqu’ici peu appliquée pour le développement de ligands de l’ADN et de l’ARN. Dans un premier temps, une série de 20 bis(acylhydrazones), analogues des ligands PDC (360A) et PhenDC3, a été obtenue par la synthèse préparative. Les expériences de dénaturation thermique suivie par fluorescence ont démontré que certains de ces composés avaient une bonne affinité pour l’ADN G4. Ces expériences ont permis de valider le potentiel du motif acylhydrazone pour le développement de ligands des G4s. Ensuite, une méthode de chimie dynamique combinatoire (CDC) a été développée. Cette dernière consiste en génération de bibliothèques combinatoires comportant jusqu’à 20 composés, suivie par l’isolement des ligands les plus affins par la précipitation avec la cible, immobilisée sur des billes magnétiques. Ainsi, un bis(acylhydrazone) non-symétrique a été identifié comme un ligand prometteur du G4 parallèle Pu24T. Cependant, les expériences avec ses proches analogues n’ont pas confirmé son affinité aux G4 augmentée par rapport aux dérivés symétriques. Il a été supposé que les résultats d’expériences de CDC pouvaient être biaisés par des interactions non-spécifiques entre les ligands et les billes magnétiques. Pour améliorer l’analyse des bibliothèques combinatoires, une nouvelle méthode basée sur l’extraction en phase solide des ligands a été développée et appliquée à deux bibliothèques d’acylhydrazones non-symétriques. Huit hits ont été obtenus à partir de 70 composés générés in situ. Trois d’entre eux ont été sélectionnés pour la synthèse préparative et une étude de l’interaction avec l’ADN G4. En parallèle, une approche classique de chimie combinatoire a été élaborée, ce qui a conduit à la génération d’une bibliothèque combinatoire de 90 dérivés bis(acylhydrazone) sous forme de solutions 2 mM dans DMSO prêtes à l’emploi, avec une pureté moyenne de 87%. Ces échantillons ont été utilisés directement dans le criblage biophysique contre quatre G4s de l’ADN de trois topologies différentes. Les composés les plus actifs ont été synthétisés d’une manière préparative et leur interaction avec les G4s a été étudiée en détail par des méthodes biophysiques, y compris la spectrométrie de masse native. Ainsi, au moins un dérivé avec une affinité pour les G4s supérieure à celle de PhenDC3 et une sélectivité inédite pour le G4 antiparallèle a été identifié. Enfin, dans le cadre d’un projet collaboratif (M. Blondel, Université de Bretagne Occidentale), des ligands synthétisés au cours de ce travail ont été étudiés vis-à-vis de leur capacité à moduler d’évasion immune du virus d’Epstein–Barr (EBV). Il a été démontré que certains bis(acylhydrazones) interagissent in vitro avec la séquence riche en guanines de l’ARNm codante pour le domaine riche en glycine-alanine (GAr) de la protéine virale EBNA1. Deux de ces dérivés déplacent le facteur de la cellule hôte (nucléoline) de l’ARNm d’EBNA1, conduisant ainsi à la surexpression de la protéine et à la présence exacerbé de peptides antigéniques sur les cellules infectées. Cet effet représente une opportunité thérapeutique pour le traitement des cancers associés à l’EBV
G-quadruplexes (G4s) are four-stranded structures of nucleic acids (DNA or RNA) that consist of at least two coplanar guanine quartets. An important feature of G4s is their ability to form stable complexes with exogenous small molecules (ligands) and thus influence biological processes in which they are involved. G4 targeting is often associated with oncology, where G4 ligands may suppress the expression of oncogenes, inhibit telomerase, or induce DNA damage in cancer cells. This work aims to develop methodologies for rapid and simple synthesis and screening of compounds, in order to identify selective and highly affine ligands of given non-canonical structures of nucleic acids, in particular G4s. Specifically, this works exploits the chemistry of reversible synthesis of acylhydrazones, which has been barely applied for the development of DNA or RNA ligands before. First, a small library of 20 cationic bis(acylhydrazones), analogues of the previously reported G4-ligands PDC (360A) and PhenDC3, was obtained by preparative synthesis. Through fluorescence melting experiments it is demonstrated that some of compounds indeed have high affinity to G4-DNA, validating the suitability of the acylhydrazone motif as a scaffold for the development of G4 ligands. Next, a method of dynamic combinatorial chemistry (DCC), which consists in simultaneous one-pot generation of libraries of up to 20 compounds with consecutive pull-down of most affine ligands by bead-immobilized targets (i.e., G4-DNA), was developed. By using this method, a non-symmetrical bis(acylhydrazone) was identified as a promising ligand of a parallel G4-DNA Pu24T. However, biophysical experiments with its close structural analogues did not confirm their preferential binding in comparison with the symmetrically substituted compound. It is proposed that the outcome of DCC experiments may be biased by non-specific interactions of ligands with magnetic beads, leading to false-positive results. In order to improve the analysis of dynamic combinatorial libraries, a novel method based on solid-phase extraction of the G4-ligand complex was developed and applied to two libraries of non-symmetric acylhydrazones. In a few rounds of selection, 13 hits were obtained out of 70 in situ generated compounds. Three of them were selected for preparative synthesis and detailed study of interaction with G4-DNA. In parallel, a classical combinatorial chemistry approach was developed, resulting in generation of a combinatorial library of 90 individual bis(acylhydrazone) derivatives in the form of ready-to-use 2 mM solutions in DMSO, with an average purity of 87%. These samples were directly used for biophysical screening experiments towards four G4-DNA targets of three different topologies. Three most active compounds were obtained in preparative manner and their interaction with the mentioned biological targets was studied in detail by several biophysical methods, including native mass spectrometry experiments. This way, at least one derivative with a G4-DNA affinity superior to that of PhenDC3 and unprecedented selectivity towards anti-parallel G4-DNA could be identified. Finally, in the framework of a collaborative project (M. Blondel, University of Western Brittany) the ligands synthesized in this work were studied with respect to their capacity to act as modulators of the immune evasion of Epstein–Barr virus (EBV). Specifically, it was shown that several bis(acylhydrazones) bind in vitro to G4-RNA structures formed by the guanine-rich repeat sequence of mRNA encoding for the glycine-alanine rich (GAr) domain of viral genome maintenance protein EBNA1. Moreover, two derivatives were found to displace the host cell factor nucleolin from EBNA1 mRNA, leading to overexpression of EBNA1 protein and a concomitant increase of antigen presentation in EBV-infected cell cultures. This effect represents an interesting therapeutic opportunity for treatment of EBV-related cancers

Le développement du cancer et la réponse aux traitements sont associés à des variations de la régulation post-transcriptionnelle qui entraîne une modification du protéome qualitativement et/ou quantitativement. La régulation post-transcriptionnelle implique des protéines de liaison à l’ARN (RBP), interagissant avec des éléments cis comme les séquences, les modifications ou les structures de l’ARN. Parmi ces éléments cis, les structures non-canoniques nommées ARN G-Quadruplexes (RG4), et les modifications N6-Méthyladénosines (m6A), jouent un rôle critique dans le modelage post-transcriptionnel guidant l’expression des gènes du cancer, et leur ciblage est actuellement envisagé par des essais pré-cliniques. L’un des défis majeurs de ce champ de recherches repose sur la compréhension des mécanismes contrôlants la sélectivité des sites modifiés en m6A, leur reconnaissance et leur suppression, ainsi que sur l’identification des régulateurs de la structuration des RG4. Pour répondre à ces défis, la colocalisation entre les RG4 et les m6A et leur régulation mutuelle doit encore être étudiée de manière claire. Un autre objectif clé consiste à relier les interactions entre les protéines liant les RG4 dans les transcrits et leurs fonctions biologiques liées au cancer en tirant parti des prédictions de la structuration des RG4 et des données expérimentales sur les RG4 et les RBP. Mon projet de thèse aborde ces deux défis centrés sur la régulation cis- et trans- des RG4, en utilisant des approches multidisciplinaires incluant la bioinformatique, la biologie moléculaire et cellulaire. Pour cartographier et caractériser globalement les régulateurs agissant en trans sur les RG4, nous avons développé QUADRatlas (https://rg4db.cibio.unitn.it), une base de données de RG4 identifiés expérimentalement et prédits par ordinateur dans le transcriptome humain, liés à leurs fonctions biologiques et à leurs associations aux pathologies (Bourdon et al, NAR, 2023). Ce travail offre un accès à un large catalogue construit manuellement de protéines de liaison aux RG4 connues, complété par un vaste ensemble de données de sites de liaison de RBP pour découvrir de nouvelles interactions potentielles RG4-RBP. Notre étude sur l'interaction entre les RG4 et les m6A a révélé leur colocalisation dans le transcriptome codant humain. Nous avons démontré in vitro que la stabilité des RG4 n'était pas inhibée par la présence de m6A. Cependant, nous avons montré que la stabilisation des RG4 diminuait le niveau global de m6A dans les lignées cellulaires cancéreuses. Pour expliquer cet effet, nous avons étudié la capacité des RBP à se lier aux RG4, m6A ou aux RG4 contenant des m6A (RG4(m6A)). Nous avons découvert que les RG4s pouvaient agir comme des plateformes pour les protéines de liaison aux m6A et ainsi réguler leur présence sur les transcrits. Ce travail fournit des informations essentielles sur la régulation mutuelle de deux éléments cis majeurs de l'ARNm par les RBP. De futures analyses seront nécessaires pour découvrir l’effet de la colocalisation RG4(m6A) sur l’expression des gènes du cancer
Cancer development and response to treatments are associated to post-transcriptional rewiring which in turn modifies the cancer proteome qualitatively and/or quantitatively. Post-transcriptional regulation involves RNA binding proteins (RBP) interacting with cis-acting elements like RNA sequences, modifications or structures. Among the cis-regulators, non-canonical structures, called RNA G-Quadruplexes (RG4), and N6-methyladenosines modifications (m6A), play a critical role in shaping post-transcriptional expression of cancer genes and their targeting is currently investigated in pre-clinical studies. One major challenge in the field lies in understanding the mechanisms controlling selectivity in m6A deposition, reading and removal, as well as deciphering RG4 folding and regulators. Whether m6A and RG4 colocalize and regulate each other remains to be fully investigated. Another key challenge is to link RG4-protein interactions in transcripts to cancer-relevant biological functions by leveraging predictions of RG4 structuration and experimental data on RG4 and RBP.My thesis project tackled these two challenges centered on the cis- and trans- regulation of RG4s, using multidisciplinary approaches including bioinformatics, molecular and cellular biology. To globally map and characterize RG4 trans-acting regulators, we developed QUADRatlas (https://rg4db.cibio.unitn.it), a database of experimentally-derived and computationally predicted RG4 in the human transcriptome, linked with their biological function and disease associations (Bourdon et al, NAR, 2023). This work provides a broad access to a manually curated catalogue of known RG4-binding proteins, complemented with an extensive RBP binding sites dataset to discover new potential RG4-RBP interactions. Our study on the interplay between RG4 and m6A revealed their colocalization in the human coding transcriptome. We demonstrated in vitro that RG4 stability was not inhibited by m6A presence. However, we showed that the stabilisation of RG4 decreased global m6A level in cancer cell lines. To explain this effect, we studied the ability of RBP to bind RG4, m6A or RG4 containing m6A (RG4(m6A)) and found that RG4 could act as a platform for m6A binding proteins and thus regulate their presence on transcripts. This work provides insights on the co-regulation of two major mRNA cis-acting elements by RBP. Future analyses will then be needed to unravel the effect of RG4(m6A) colocalization on cancer gene expression

Orientadores: Sérgio Roberto Peres Line, Marcelo Rocha Marques
Texto em português e inglês
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba
Made available in DSpace on 2018-08-24T17:45:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ribeiro_MarianaMartins_D.pdf: 2903322 bytes, checksum: 9e0e5e91a22262495ca9bf8ae1d84cec (MD5) Previous issue date: 2014
Resumo: G-Quadruplexes são estruturas secundárias presentes nas moléculas de DNA e RNA, os quais são formados pelo empilhamento de G-quartetos (interação de quatro guaninas (G-tratos) delimitadas por ligações de hidrogênio do tipo Hoogsteen. O intron 1 do gene PAX9 humano tem um G-quadruplex formado na região localizada perto do exon 1, que é conservada entre os mamíferos placentários. Análises de Dicroísmo Circular (CD), e CD melting mostraram que estas sequências são capazes de formar estruturas quadruplex altamente estáveis. Devido à proximidade da estrutura quadruplex ao limite éxon-íntron foi utilizado um ensaio validado de splicing duplo repórter e PCR em tempo real para analisar o seu papel na eficiência de splicing. O quadruplex humano mostrou ter um papel chave na eficiência de splicing do íntron 1 do gene PAX9, já que uma mutação que aboliu a formação do quadruplex diminuiu drasticamente a eficiência de splicing. O quadruplex de rato, menos estável, mostrou menor eficiência quando comparado com sequências humanas. Além disso, o tratamento com 360A, um forte ligante que estabiliza estruturas quadruplex, aumentou ainda mais a eficiência de splicing do íntron 1 do PAX9 humano. Em conjunto estes resultados fornecem evidências de que as estruturas de G-quadruplex estão envolvidas na eficiência de splicing do intron 1 do gene PAX9
Abstract: G-Quadruplex are secondary structures present in DNA and RNA molecules, which are formed by stacking of G-quartets (i.e. interaction of four guanines (G-tracts) bounded by Hoogsteen hydrogen bonding). Human PAX9 intron 1 has a putative G-quadruplex- forming region located near exon 1, which is conserved among placental mammals. Using Circular Dichroism (CD) analysis, and CD melting we showed that this region is able to form highly stable quadruplex structures. Due to the proximity of the quadruplex structure to exon-intron boundary we used a validated double reporter splicing assay and real time PCR to analyze its role on splicing efficiency. The human quadruplex was shown to have a key role on splicing efficiency of PAX9 intron 1, as a mutation that abolished quadruplex formation decreased dramatically splicing efficiency. The less stable, rat quadruplex had a less efficient splicing when comparing to human sequences. Additionally, the treatment with 360A, a strong ligand that stabilizes quadruplex structures, further increased splicing efficiency of human PAX9 intron 1. Altogether these results provide evidences that G-quadruplex structures are involved in splicing efficiency of PAX9 intron 1
Doutorado
Histologia e Embriologia
Doutora em Biologia Buco-Dental

Le glioblastome multiforme (GBM) est une tumeur cérébrale extrêmement agressive associée à un mauvais pronostic. C'est pourquoi, il apparaît nécessaire d'identifier les mécanismes moléculaires participant au développement des GBM ainsi qu'à leurs résistances aux traitements afin de développer de nouvelles approches thérapeutiques. Récemment, il a été montré que les régulations traductionnelles jouent un rôle fondamental dans les propriétés agressives du GBM. Les protéines de liaison à l'ARN (RBP) sont des acteurs majeurs de ces régulations dont l'expression/activité est altérée dans les GBM. Les RBP hnRNP HF (HF) font partie des RBP les plus surexprimées dans les GBM et leur contribution dans la régulation traductionnelle des GBM n'a encore jamais été investiguée. Nous avons émis l'hypothèse que hnRNP H et hnRNP F soient au centre d'un réseau de régulations post-transcriptionnelles impactant la machinerie traductionnelle qui contrôle le développement tumoral et la résistance aux traitements des GBM. Nos résultats montrent qu'HF régulent la prolifération et la réponse aux traitements car leur perte d'expression (i) diminue la prolifération des GBM (modèle cellulaire, sphéroïde et xénogreffes in vivo), (ii) active les voies de réponse aux dommages à l'ADN et (iii) sensibilise les cellules de GBM aux irradiations. De plus, nous avons identifié un nouveau rôle pour HF en tant que régulateurs de la traduction. En effet, nos données montrent que les hnRNP HF contrôlent la traduction d'un ensemble d'ARNm en régulant l'expression et l'activité de facteurs d'initiation ainsi qu'en collaborant avec des ARN hélicases partenaires en ciblant des ARNm impliqués dans des processus reliés au développement tumoral et la résistance aux traitements possédant des structures secondaires G-quadruplexe dans leurs 5'UTR. Les données que nous avons générées suggèrent que hnRNP H et hnRNP F sont des régulateurs traductionnels essentiels au développement tumoral et à la résistance aux traitements des GBM
Glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most aggressive brain tumors with poor prognosis. Understanding the molecular mechanisms involved in the development and resistance to treatments of gliomas could improve treatment efficiency. Recently, it has been demonstrated that translational regulations play a key role in the GBM aggressivity. RNA binding proteins (RBP) are major regulators of these processes and have altered expression / activity in GBM. The RBP hnRNP H and hnRNP F (HF) are among the most overexpressed RBP in GBM and their role in GBM translational regulation has never been investigated yet. We hypothesize that HF are at the core of a post-transcriptional regulation network which impacts the translational machinery that controls GBM tumor development and resistance to treatment. We have demonstrated that hnRNP H and hnRNP F regulate proliferation and response to treatment because their depletion (i) decreases the GBM proliferation (cell line model, spheroid and in vivo xenografts), (ii) activates the DNA damage response pathways and (iii) sensitizes the GBM cells to irradiation. We have identified HF as new regulators of GBM translation. Indeed, our data show that hnRNP H and hnRNP F control mRNA translation by regulating expression/activity of initiation factors and in collaboration with RNA helicases by targeting mRNA involved in oncogenic processes and containing secondary structures called G-quadruplex in their 5'UTR. The data that we have generated suggest that HF are essential translational regulators involved in tumor development and resistance to treatment in GBM

L’objectif de ces travaux de thèse était l’étude des interactions de petites molécules avec les multiples structures de l’ADN quadruplex via i) le développement et l’utilisation d’un test haut-débit pour l’analyse des interactions ligand-ADN quadruplex et le criblage de chimiothèques/ciblothèques et ii) la préparation de composés aux modes d’interactions multiples (empilement/sillon, covalent/non-covalent, etc.), sélectifs (quadruplex vs. duplex et intra-quadruplex) et éventuellement fonctionnalisés (biotine, fluorophore, etc.). La première partie des travaux a été centrée sur le développement du test G4-FID (G-quadruplex Fluorescent Intercalator Displacement) qui est une méthode semi-quantitative permettant l’évaluation de l’affinité et de la sélectivité de petites molécules pour l’ADN quadruplex par déplacement d’une sonde off/on, le Thiazole Orange (TO). Le test a notamment été transposé avec succès de la cuve vers la microplaque (HT-G4-FID). D’autre part, nous avons montré l’intérêt de fluorophores alternatifs, TO-PRO-3 et Hoechst 33258, aux caractéristiques spectrales complémentaires à TO. Cette méthode d’analyse a également été utilisée avec succès pour l’identification de nouveaux ligands sélectifs d’ADN quadruplex et la mise en évidence des relations structure-activité ainsi que des sélectivités structurales. La deuxième partie des travaux a été consacrée à la préparation et à l’étude de nouveaux ligands d’ADN quadruplex. Ces ligands possèdent des particularités, soit dans leur mode d’interaction (sillons, coordination) soit par leur bifonctionnalité (biotinylés, fluorescents). Nous avons ainsi préparé un ligand de quadruplex polyhétéroaryle acyclique (TOxaPy) possédant une sélectivité inattendue pour certaines structures de l’ADN quadruplex. D’autre part, nous avons montré que les complexes de dérivés de terpyridine peuvent être adaptés, en changeant le ligand organique et/ou la nature du métal, de façon à interagir avec l’ADN quadruplex par interaction covalentes et/ou non covalentes
The aim of this thesis work was to study the interactions of small molecules with multiple structures of quadruplex DNA via i) the development and use of a high-throughput test for the analysis of ligand-quadruplex DNA interactions and screening of chemical libraries and ii) the preparation of compounds with multiple binding modes (stacking/groove, covalent/non-covalent, etc..) selective (quadruplex vs. duplex and intra-quadruplex) and possibly functionalized (biotin, fluorophore, etc.). The first part of the work was focused on the development of the G4-FID (G-quadruplex Intercalator Fluorescent Displacement) assay, which is a semi-quantitative method for evaluating the affinity and selectivity of small molecules for quadruplex DNA by displacing an off/on probe, the Thiazole Orange (TO). The test has been implemented successfully with microplate (HT-G4-FID). On the other hand, we have shown the importance of alternative fluorophores, TO-PRO-3 and Hoechst 33258, with complementary spectral characteristics. This method of analysis has also been successfully used for the identification of new selective ligands of quadruplex DNA and the identification of structure-activity relationships and structural selectivities. The second part of the work was devoted to the preparation and study of new DNA quadruplex ligands. These ligands possess particular characteristics either in their mode of interaction (grooves, coordination) or by their bifunctionality (biotinylated, fluorescent). We have prepared an acyclic polyheteroaryle quadruplex ligand (TOxaPy) with an unexpected selectivity for certain structures of quadruplex DNA. Furthermore, we showed that complexes of terpyridine derivatives can be tailored by changing the organic ligand and / or the metal in order to interact with quadruplex DNA by covalent and / or non-covalent interaction

La traduction des ARNm et la production de protéines sont des phénomènes étroitement contrôlés dans la cellule. La séquence de l'ARNm et sa structure, auxquelles sont associées des protéines se liant à l'ARN, ainsi que la qualité de la protéine produite à partir de cet ARNm, évaluée notamment par la voie de contrôle qualité associée aux ribosomes, sont des éléments impliqués dans ce processus majeur pour la cellule. Dans ce domaine, le contrôle de la production de protéine EBNA1 (Epstein-Barr Nuclear Antigen 1) du virus d'Epstein -Barr est un exemple intéressant. La protéine EBNA1 est essentielle pour la survie du virus dans les cellules hôtes. Les niveaux cellulaires de protéine EBNA1 sont très faibles, bien que la protéine soit présente dans toutes les cellules infectées. Cette dernière est aussi extrêmement antigénique. Il est aujourd'hui admis que la quantité de protéine EBNA1 présente dans les cellules est suffisante pour assurer le maintien du virus dans la cellule, mais assez basse pour lui permettre d'échapper au système immunitaire de l'hôte. Un contrôle de sa production est nécessaire à cet équilibre. Des études précédentes ont montré que le domaine GAr (répétitions de glycine et alanine), présent dans la partie N-terminale de la protéine, déclenche un mécanisme conduisant à l'inhibition de l'initiation de la traduction de l'ARNm d'EBNA1 en cis, sans affecter la traduction des autres ARNm présents dans la cellule. L'équipe a montré précédemment que les structures G4s (G-quadruplex) peuvent être formées dans l'ARNm codant le GAr. De nombreuses études ont montré l'importance de ces structures secondaires de l'ARN dans la régulation de la traduction de l'ARNm d'EBNA1. La nucléoline, un facteur nucléaire, peut se lier aux G4s de l'ARNm du GAr. Cependant, il a aussi été montré que le peptide GAr, et non l'ARNm associé, est nécessaire au contrôle de la traduction de l'ARNm du GAr en cis. L'objectif principal de ma thèse est de mieux comprendre le mécanisme déclenché par l'ARNm et le polypeptide naissant conduisant au contrôle de la traduction de l'ARNm d'EBNA1 en cis. En accord avec le fait que les structures G4s de l'ARN sont extrêmement dynamiques, nous avons montré dans un premier temps que les fonctions associées au G4s de l'ARNm du GAr, à savoir la localisation de l'ARNm, sa traduction et sa capacité à se lier à certaines protéines, dépendent du contexte dans lesquelles ces structures se trouvent. Nous montrons ensuite que la traduction de l'ARNm d'EBNA1 est nécessaire à l'interaction nucléoline-ARNm, signifiant que la traduction de l'ARNm induit des changements dans les propriétés de l'ARNm. En parallèle, nous avons étudié le NACA, une sous-unité du complexe chaperon NAC (nascent polypeptide-associated complex). NACA se détache du ribosome lors de la synthèse du GAr et interagit avec le GAr. NACA est aussi capable de se lier aux ARN et est déterminant dans la suite des évènements liés à l'ARNm codant le GAr. Enfin, et de façon assez surprenante, les facteurs d'initiation de la traduction sont aussi des éléments clés dans l'inhibition de la traduction de l'ARNm d'EBNA1. Le facteur le plus impactant identifié jusqu'à maintenant est le facteur eIF4A1. Ces résultats indiquent que la séquence et structure de l'ARNm et le polypeptide naissant correspondant sont impliqués dans l'inhibition de l'initiation de la traduction de l'ARNm d'EBNA1. Cependant, cela n'enlève pas la possibilité que l'ARNm et le polypeptide naissant déclenchent chacun une voie d'inhibition de la synthèse d'EBNA1 distincte l'une de l'autre. Les virus utilisent des éléments déjà présents dans la cellule pour assurer leur maintien dans la cellule hôte. Ainsi, les principes de biologie cellulaire décrits ici peuvent apporter des indications importantes pour une meilleure compréhension d'autres pathologies en plus de celles liées au virus d'Epstein-Barr
MRNA translation and protein synthesis are tightly regulated events in the cell. Mechanisms describing these key cellular events involve the mRNA sequence and its structure with the association of RNA-binding protein to it, as well as the quality of the translation product encoded by the mRNA, assessed notably through ribosome-associated quality control. In this context, the Epstein-Barr virus EBNA1 (Epstein-Barr Nuclear Antigen 1) mRNA translation regulation is an interesting example. EBNA1 is known to be an essential protein for the virus survival in the host cells. Even though EBNA1 is present in every infected cell, its protein level is remarkably low. As EBNA1 is highly antigenic, it has been suggested that EBNA1 levels in the cells are low enough to escape the immune system of the host, but sufficient to maintain EBV infection. This balance requires a tightly controlled EBNA1 production. Further studies showed that the GAr (glycine-alanine repeat) domain, located in the N-terminal part of EBNA1, triggers an in cis mechanism leading to the inhibition of the translation initiation of its own mRNA, without affecting translation of other mRNAs in the cell. Thus, the GAr domain of EBNA1 is a unique tool to study selective mRNA translation control without affecting general protein synthesis. It was previously shown that RNA G4 (G-quadruplex) structures can be folded in the GAr-encoding mRNA. Numerous studies underlined the importance of these RNA structures in the regulation of EBNA1 mRNA translation, and the team previously showed that nucleolin can interact with these RNA G4 structures, interaction which can be competed by some G4 ligands. However, it was also formerly shown that the GAr peptide itself plays a role in controlling in cis the translation of EBNA1-encoding mRNA, rather than just the RNA sequence. The main focus of the study presented here is to shed light on how this translation event and the fate of the encoding mRNA are regulated in cis by the mRNA and the encoded nascent polypeptide. In line with the fact that RNA G4 structures are highly dynamic, we first showed that GAr RNA G4-associated functions, namely mRNA localisation, translation and ability to bind RNA-binding proteins, are dependent on the context they are in, i.e. their position in the mRNA, the structures in their surrounding or the factors binding the mRNA, such as G4 ligands. We next demonstrated that translation of the EBNA1 mRNA is necessary for nucleolin-binding to it, meaning that the translation event modifies some properties of the EBNA1 mRNA. In parallel, we showed that the NACA, a subunit of the NAC chaperone complex, is detached from the ribosome and interacts with the GAr polypeptide. Interestingly, the NACA is also an RNA binding protein in addition to its chaperone function, and is determinant for the future processing of the EBNA1 mRNA. Finally, and unexpectedly, we show that translation initiation factors are also key players in the downregulation of the EBNA1 mRNA translation, affecting also the mRNA nucleolin-binding capacity, the most effective translation initiation factor in the downregulation of EBNA1 mRNA translation identified so far being eIF4A1. These results support the idea that both the RNA sequence and structure and the corresponding nascent polypeptide are involved in the downregulation of EBNA1 mRNA translation. However, it does not rule out the possibility that both the RNA structure and the polypeptide sequence trigger also their own separated inhibitory pathway. As viruses use components already present in the cells to maintain themselves, the cellular biology elements brought out here can provide insights on many other pathologies in addition to EBV-associated diseases