Arabidopsis tRNA-derived fragments as potential modulators of translation

International audienceTransfer RNA-derived fragments (tRFs) exist in all branches of life. They are involved in RNA degradation, regulation of gene expression, ribosome biogenesis. In archaebacteria, kinetoplastid, yeast and human cells, they were also shown to regulate translation. In Arabidopsis, the tRFs population fluctuates under developmental or environmental conditions but their functions are yet poorly understood. Here, we show that populations of long (30-35 nt) or short (19-25 nt) tRFs produced from Arabidopsis tRNAs can inhibit in vitro translation of a reporter gene. Analyzing a series of oligoribonucleotides mimicking natural tRFs, we demonstrate that only a limited set of tRFs possess the ability to affect protein synthesis. Out of a dozen of tRFs, only two deriving from tRNA Ala (AGC) and tRNA Asn (GUU) strongly attenuate translation in vitro. Contrary to human tRF(Ala), the 4 Gs present at the 5' extremity of Arabidopsis tRF(Ala) are not implicated in this inhibition while the G18 and G19 residues are essential. Protein synthesis inhibition by tRFs does not require complementarity with the translated mRNA but, having the capability to be associated with polyribosomes, tRFs likely act as general modulation factors of the translation process in plants

Monitoring the regulation of gene expression in a growing organ using a fluid mechanics formalism

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Technological advances have enabled the accurate quantification of gene expression, even within single cell types. While transcriptome analyses are routinely performed, most experimental designs only provide snapshots of gene expression. Molecular mechanisms underlying cell fate or positional signalling have been revealed through these discontinuous datasets. However, in developing multicellular structures, temporal and spatial cues, known to directly influence transcriptional networks, get entangled as the cells are displaced and expand. Access to an unbiased view of the spatiotemporal regulation of gene expression occurring during development requires a specific framework that properly quantifies the rate of change of a property in a moving and expanding element, such as a cell or an organ segment.</p> <p>Results</p> <p>We show how the rate of change in gene expression can be quantified by combining kinematics and real-time polymerase chain reaction data in a mechanistic model which considers any organ as a continuum. This framework was applied in order to assess the developmental regulation of the two reference genes <it>Actin11 </it>and <it>Elongation Factor 1-β </it>in the apex of poplar root. The growth field was determined by time-lapse photography and transcript density was obtained at high spatial resolution. The net accumulation rates of the transcripts of the two genes were found to display highly contrasted developmental profiles. <it>Actin11 </it>showed pulses of up and down regulation in the accelerating and decelerating parts of the growth zone while the dynamic of <it>EF1β </it>were much slower. This framework provides key information about gene regulation in a developing organ, such as the location, the duration and the intensity of gene induction/repression.</p> <p>Conclusions</p> <p>We demonstrated that gene expression patterns can be monitored using the continuity equation without using mutants or reporter constructions. Given the rise of imaging technologies, this framework in our view opens a new way to dissect the molecular basis of growth regulation, even in non-model species or complex structures.</p

Interconnexion entre traduction, stockage et dégradation des ARN messagers chez la plante modèle Arabidopsis thaliana

Les végétaux en tant qu’organismes sont souvent confrontés à des conditions environnementales changeantes. Lorsqu’ils sont soumis à un stress, ces derniers passent d'un mode « croissance » à un mode « survie » grâce à une reprogrammation rapide de l'expression de leurs gènes. Ce processus repose sur des mécanismes moléculaires complexes qui se déroulent à différentes échelles (ADN, ARN, protéine). Au cours de ces 8 dernières années, je me suis plus particulièrement intéressé́ au rôle de la régulation post- transcriptionnelle des ARN messagers dans ce processus chez la plante modèle, Arabidopsis thaliana. Cetterégulation peut affecter dans le cytoplasme la stabilité des ARN messagers, leur traduction ou encore leur stockage.Après une introduction sur le contrôle de la traduction et sur la stabilité des ARN messagers chez les eucaryotes, j’exposerai dans ce manuscrit mes travaux antérieurs depuis mon premier postdoctorat jusqu’à aujourd’hui. Ma première activité́ postdoctorale (LGDP, Perpignan) a permis de mettre en évidence l’importance de la dégradation active des ARN messagers en réponse au stress thermique chez Arabidopsis (Merret et al., 2013). Cette dégradation est mise en place par l’exoribonucléase XRN4 sur environ 4500 transcrits codant les facteurs de l’activité́ cellulaire basale. Par ailleurs, nous avons montré qu’une partie de cette dégradation se met en place directement sur les polysomes. Cette dégradation dite cotraductionnelle est induite suite à un ralentissement des ribosomes sur des transcrits codant des peptides hydrophobes (Merret et al., 2015). Elle permet ainsi une dégradation rapide des ARN messagers et évite l’agrégation de protéines hydrophobes au cours du stress. Ma seconde activité́ postdoctorale (ABRC, Taïwan) a révélé l’importance du stockage de certains ARN messagers au cours du stress thermique chez Arabidopsis. Lors du retour à la condition normale, ces ARNm stockés sont libérés par la chaperonne HSP101 et permettent une reprise efficace de la traduction (Merret et al., 2017).Depuis mon recrutement en tant que chargé de recherche (CRCN, CNRS) en 2015, je poursuis mon activité de recherche au sein de l’équipe du Dr. Cécile Bousquet-Antonelli au Laboratoire Génome et Développement des Plantes à Perpignan. Je terminerai donc ce manuscrit en présentant le projet de recherche que je développe actuellement et les orientations que je veux y apporter au cours de ces prochaines années. Ce projet de recherche s’oriente sur une analyse intégrée des mécanismes qui contrôlent à la fois la traduction et la dégradation des ARN messagers au cours du développement de la plante et en réponse à une contrainte environnementale

Contrôle moléculaire de la croissance sous déficit hydrique : analyse cinématique et régulation de l'expression des aquaporines TIP1 dans l'apex de la racine du peuplier

This study consideres the molecular control of cell expansion in poplar root apex. The study was focused on the regulation of the TIP1 aquaporins expression under two levels of water deficit. A conceptual framework combining transcript density analysis (quantitative PCR) at a high spatial resolution and a fluid mechanics formalism was established to describe the regulation of gene expression in time and space along the root apex. Two contrasting growth status were both studied: root growth rate is either restored (after three days of moderate stress, 80 mmol kg-1, 100 g L-1 polyethylene glycol PEG 3500 g mol-1) or root growth rate is reduced (after 3 days of high stress, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 PEG). Kinematic analysis revealed a differential sensitivity of the relative elemental growth rate (REGR) according to the stress level and to the coordinate along the apex. At the molecular level, we showed that growth reduction was associated with a shift of maximal densities of transcripts towards the first millimeters of the apex, where cell expansion was maintained. Meanwhile the induction/repression levels were never stronger than in the control condition underlying that a high transcript density does not mean a high transcriptional induction. Focused on the combination of two dynamic processes, cell expansion and gene expression, my thesis showed that the conclusions issued from the analyses of these processes are influenced by the way time, space and age are consideredCette étude porte sur le contrôle moléculaire de l'expansion cellulaire dans l'apex de la racine du peuplier. L'étude a été focalisée sur la régulation de l'expression des aquaporines TIP1s sous deux niveaux de déficit hydrique. Un cadre conceptuel, combinant analyse de la densité de transcrits à haute résolution spatiale et un formalisme de la mécanique des fluides, a été établi pour décrire la régulation de l'expression des gènes dans le temps et l'espace, le long de l'apex. Deux états de croissance contrastés ont été étudiés : un où la croissance de l'apex de la racine est rétablie (après 3 jours de stress modéré, 80 mosmol kg-1, 100 g L-1 de polyéthylène glycol PEG à 3500 g mol-1) et un où elle est réduite (après 3 jours de stress fort, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 de PEG). L'analyse cinématique a révélé une sensibilité différentielle de la vitesse d'allongement relatif (REGR) selon le niveau de stress et la position le long de l'apex. Au niveau moléculaire, nous montrons que lorsque la croissance est réduite, les pics de densité de transcrits des TIP1s sont plus forts et décalés dans les premiers millimètres de l'apex, zone où la croissance des cellules est maintenue. Cependant les niveaux d'induction/répression n'étaient jamais plus élevés que dans la condition témoin, soulignant qu'une forte densité de transcrits n'est pas forcément synonyme d'une forte induction de l'expression. Focalisé sur la combinaison de deux processus dynamiques, l'expansion cellulaire et l'expression des gènes, cette étude a mis en évidence que les conclusions tirées de l'analyse de ces processus sont influencées par la façon dont le temps, l'espace sont considéré

Molecular control of growth under water deficit : kinematic analysis and regulation of expression of TIP1 aquaporins in the poplar root apex

Cette étude porte sur le contrôle moléculaire de l'expansion cellulaire dans l'apex de la racine du peuplier. L'étude a été focalisée sur la régulation de l'expression des aquaporines TIP1s sous deux niveaux de déficit hydrique. Un cadre conceptuel, combinant analyse de la densité de transcrits à haute résolution spatiale et un formalisme de la mécanique des fluides, a été établi pour décrire la régulation de l'expression des gènes dans le temps et l'espace, le long de l'apex. Deux états de croissance contrastés ont été étudiés : un où la croissance de l'apex de la racine est rétablie (après 3 jours de stress modéré, 80 mosmol kg-1, 100 g L-1 de polyéthylène glycol PEG à 3500 g mol-1) et un où elle est réduite (après 3 jours de stress fort, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 de PEG). L'analyse cinématique a révélé une sensibilité différentielle de la vitesse d'allongement relatif (REGR) selon le niveau de stress et la position le long de l'apex. Au niveau moléculaire, nous montrons que lorsque la croissance est réduite, les pics de densité de transcrits des TIP1s sont plus forts et décalés dans les premiers millimètres de l'apex, zone où la croissance des cellules est maintenue. Cependant les niveaux d'induction/répression n'étaient jamais plus élevés que dans la condition témoin, soulignant qu'une forte densité de transcrits n'est pas forcément synonyme d'une forte induction de l'expression. Focalisé sur la combinaison de deux processus dynamiques, l'expansion cellulaire et l'expression des gènes, cette étude a mis en évidence que les conclusions tirées de l'analyse de ces processus sont influencées par la façon dont le temps, l'espace sont considérésThis study consideres the molecular control of cell expansion in poplar root apex. The study was focused on the regulation of the TIP1 aquaporins expression under two levels of water deficit. A conceptual framework combining transcript density analysis (quantitative PCR) at a high spatial resolution and a fluid mechanics formalism was established to describe the regulation of gene expression in time and space along the root apex. Two contrasting growth status were both studied: root growth rate is either restored (after three days of moderate stress, 80 mmol kg-1, 100 g L-1 polyethylene glycol PEG 3500 g mol-1) or root growth rate is reduced (after 3 days of high stress, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 PEG). Kinematic analysis revealed a differential sensitivity of the relative elemental growth rate (REGR) according to the stress level and to the coordinate along the apex. At the molecular level, we showed that growth reduction was associated with a shift of maximal densities of transcripts towards the first millimeters of the apex, where cell expansion was maintained. Meanwhile the induction/repression levels were never stronger than in the control condition underlying that a high transcript density does not mean a high transcriptional induction. Focused on the combination of two dynamic processes, cell expansion and gene expression, my thesis showed that the conclusions issued from the analyses of these processes are influenced by the way time, space and age are considere

Monitoring mRNA Half-Life in Arabidopsis Using Droplet Digital PCR

mRNA decay is an important process in post-transcriptional regulation; in addition, it plays a crucial role in plant development and response to stress. The development of new tools to quantify mRNA decay intermediates is thus important to better characterize the dynamic of mRNA decay in various conditions. Here, we applied droplet digital PCR (ddPCR), a recent and precise PCR technology, to determine mRNA half-life in Arabidopsis seedlings. We demonstrated that ddPCR can correctly assess mRNA half-life from a wide variety of transcripts in a reproducible manner. We also demonstrated that thanks to multiplexing mRNA, the half-life of multiple transcripts can be followed in the same reaction. As ddPCR allows precise quantification, we proposed that this approach is highly suitable when a low amount of RNA is available; for the detection of many targets or for the analysis of lowly expressed transcripts

Contrôle moléculaire de la croissance sous déficit hydrique (analyse cinématique et régulation de l'expression des aquaporines TIP1 dans l'apex de la racine du peuplier)

Cette étude porte sur le contrôle moléculaire de l'expansion cellulaire dans l'apex de la racine du peuplier. L'étude a été focalisée sur la régulation de l'expression des aquaporines TIP1s sous deux niveaux de déficit hydrique. Un cadre conceptuel, combinant analyse de la densité de transcrits à haute résolution spatiale et un formalisme de la mécanique des fluides, a été établi pour décrire la régulation de l'expression des gènes dans le temps et l'espace, le long de l'apex. Deux états de croissance contrastés ont été étudiés : un où la croissance de l'apex de la racine est rétablie (après 3 jours de stress modéré, 80 mosmol kg-1, 100 g L-1 de polyéthylène glycol PEG à 3500 g mol-1) et un où elle est réduite (après 3 jours de stress fort, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 de PEG). L'analyse cinématique a révélé une sensibilité différentielle de la vitesse d'allongement relatif (REGR) selon le niveau de stress et la position le long de l'apex. Au niveau moléculaire, nous montrons que lorsque la croissance est réduite, les pics de densité de transcrits des TIP1s sont plus forts et décalés dans les premiers millimètres de l'apex, zone où la croissance des cellules est maintenue. Cependant les niveaux d'induction/répression n'étaient jamais plus élevés que dans la condition témoin, soulignant qu'une forte densité de transcrits n'est pas forcément synonyme d'une forte induction de l'expression. Focalisé sur la combinaison de deux processus dynamiques, l'expansion cellulaire et l'expression des gènes, cette étude a mis en évidence que les conclusions tirées de l'analyse de ces processus sont influencées par la façon dont le temps, l'espace sont considérésThis study consideres the molecular control of cell expansion in poplar root apex. The study was focused on the regulation of the TIP1 aquaporins expression under two levels of water deficit. A conceptual framework combining transcript density analysis (quantitative PCR) at a high spatial resolution and a fluid mechanics formalism was established to describe the regulation of gene expression in time and space along the root apex. Two contrasting growth status were both studied: root growth rate is either restored (after three days of moderate stress, 80 mmol kg-1, 100 g L-1 polyethylene glycol PEG 3500 g mol-1) or root growth rate is reduced (after 3 days of high stress, 250 mosmol kg-1, 200 g L-1 PEG). Kinematic analysis revealed a differential sensitivity of the relative elemental growth rate (REGR) according to the stress level and to the coordinate along the apex. At the molecular level, we showed that growth reduction was associated with a shift of maximal densities of transcripts towards the first millimeters of the apex, where cell expansion was maintained. Meanwhile the induction/repression levels were never stronger than in the control condition underlying that a high transcript density does not mean a high transcriptional induction. Focused on the combination of two dynamic processes, cell expansion and gene expression, my thesis showed that the conclusions issued from the analyses of these processes are influenced by the way time, space and age are consideredNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

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International audienc

Fast and Efficient 5′P Degradome Library Preparation for Analysis of Co-Translational Decay in Arabidopsis

The recent development of high-throughput technologies based on RNA sequencing has allowed a better description of the role of post-transcriptional regulation in gene expression. In particular, the development of degradome approaches based on the capture of 5′monophosphate decay intermediates allows the discovery of a new decay pathway called co-translational mRNA decay. Thanks to these approaches, ribosome dynamics could now be revealed by analysis of 5′P reads accumulation. However, library preparation could be difficult to set-up for non-specialists. Here, we present a fast and efficient 5′P degradome library preparation for Arabidopsis samples. Our protocol was designed without commercial kit and gel purification and can be easily done in one working day. We demonstrated the robustness and the reproducibility of our protocol. Finally, we present the bioinformatic reads-outs necessary to assess library quality control

A high frequency of chromosomal duplications in unicellular algae is compensated by translational regulation

International audienceAbstract While duplications have long been recognized as a fundamental process driving major evolutionary innovations, direct estimates of spontaneous chromosome duplication rates, leading to aneuploid karyotypes, are scarce. Here, from mutation accumulation (MA) experiments, we provide the first estimates of spontaneous chromosome duplication rates in six unicellular eukaryotic species, which range from 1 × 10−4 to 1 × 10−3 per genome per generation. Although this is ∼4 to ∼50 times less frequent than spontaneous point mutations per genome, chromosome duplication events can affect 1 to 7% of the total genome size. In duplicated chromosomes, mRNA levels reflected gene copy numbers, but the level of translation estimated by polysome profiling revealed that dosage compensation must be occurring. In particular, one duplicated chromosome showed a 2.1-fold increase of mRNA but translation rates were decreased to 0.7-fold. Altogether, our results support previous observations of chromosome-dependent dosage compensation effects, providing evidence that compensation occurs during translation. We hypothesize that an unknown post-transcriptional mechanism modulates the translation of hundreds of transcripts from genes located on duplicated regions in eukaryotes