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Molecular mechanisms of translational control under hypoxia in Drosophila melanogaster

par Liang, Manfei
Président du jury Vanhamme, Luc
Promoteur Gueydan, Cyril
Co-Promoteur Leo, Oberdan
Publication Non publié, 2021-07-13

Thèse de doctorat

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Résumé :

Adaptation to variations in oxygen concentration is a conserved mechanism in all metazoans as this process is central for the maintenance of cell and tissue homeostasis. Two major and highly conserved processes contribute to hypoxia-induced gene reprogramming. The first one relies on the transcriptional activation of gene expression by the Hypoxia Inducible Factors (HIFs) leading to the upregulation of a large panel of genes. The second one corresponds to a strong modification of the translation program. While the mechanisms underlying HIF-dependent transcriptional activation have been well characterized, the ones governing translation reprogramming are only partially understood. To uncover how mRNA translation takes place at low oxygen tension, we used Drosophila as our research model since both Drosophila flies and S2 cells are highly resistant to low O2. We first demonstrate that several genes are efficiently translated under hypoxia in Drosophila S2 cells. By a gene reporter-based approach, we demonstrate that Ldh mRNA 3’UTR is sufficient to promote reporter mRNA association to polysomes in hypoxia. A deletion analysis of Ldh 3’UTR leads to the identification of a ACAAA-rich sequence important for polysomal association and translation in hypoxia.Cap-binding factors play a key role in controlling translational initiation. We have shown that the cap-binding translation initiation factor eIF4EHP (4EHP) plays a dual role on translation under hypoxic conditions. Despite having a general repressive function on global translation under normoxic and hypoxic conditions, we demonstrated that 4EHP also positively controls the translation of specific mRNAs under hypoxia. Inactivation of 4ehp reduces LDH protein synthesis and impairs reporter mRNA translation in hypoxia. Deletion of 4ehp inhibites the translation of several candidate genes harboring a ACAAA motif in 3’UTR under hypoxia, suggesting that 4EHP is required for hypoxic translation of mRNAs carrying ACAAA-rich motifs. Most interestingly, we observed that 4EHP is strongly enriched in polysomal fractions in hypoxia, further supporting a role of this initiation factor in hypoxic translation. The reduction of 4ehp expression also impairs Drosophila development under hypoxic conditions. Taken together, our results indicate that specific mRNAs can bypass the translational blockade imposed by hypoxic conditions. This process is controlled by mRNA 3’UTR “CA” rich element and is positively regulated by the translation initiation factor 4EHP.

L'adaptation aux variations de la concentration en oxygène est un mécanisme conservé chez tous les métazoaires car ce processus est central pour le maintien de l'homéostasie cellulaire et tissulaire. Deux processus hautement conservés contribuent à la reprogrammation génétique induite par l'hypoxie. Le premier repose sur l'activation transcriptionnelle de l'expression génique par les facteurs inductibles de l'hypoxie (HIF) conduisant à l’induction d'un large panel de gènes. Le second correspond à une forte modification du programme traductionnel. Alors que les mécanismes sous-jacents à l'activation transcriptionnelle dépendante de HIF ont été bien caractérisés, ceux qui régissent la reprogrammation de la traduction ne sont que partiellement compris.Pour découvrir comment la traduction de l'ARNm se déroule à faible tension d'oxygène, nous avons utilisé la drosophile comme modèle d’étude, car les mouches Drosophila melanogaster et les cellules S2 issue de cet organisme sont très résistantes à de faibles teneurs en O2. Nous avons tout d’abord démontré que plusieurs gènes sont efficacement traduits en hypoxie dans les cellules S2 de drosophile. Par une approche basée sur l’utilisation de gènes rapporteurs, nous avons démontré que la région 3’ Non traduite (3’UTR) de l’ARNm Ldh est suffisante pour promouvoir l’association de l’ARNm du rapporteur aux polysomes en conditions hypoxiques. Une analyse par délétion de la région 3’UTR de l’ARNm Ldh a conduit à l’identification d’une séquence riche en ACAAA importante pour l’association polysomale et la traduction en hypoxie. La reconnaissance de la coiffe joue un rôle clé dans le contrôle de l'initiation de la traduction Nous avons montré que le facteur d'initiation de la traduction eIF4EHP (4EHP), qui se lie à la coiffe, joue un double rôle sur la traduction dans des conditions hypoxiques. Bien qu'il ait une fonction répressive sur la traduction générale dans des conditions normoxiques et hypoxiques, nous avons démontré que 4EHP contrôle aussi positivement la traduction d'ARNm spécifiques dans des conditions hypoxiques. L'inactivation de 4ehp réduit la synthèse de la protéine LDH et altère la traduction de l'ARNm rapporteur contenant la partir 3’UTR du messager Ldh en hypoxie. La délétion de 4ehp peut atténuer la traduction de plusieurs gènes candidats contenant un motif ACAAA dans leur région 3’UTR 3' en hypoxie, ce qui suggère que 4EHP est nécessaire pour la traduction hypoxique des ARNm portant des motifs riches en ACAAA. De façon intéressante, nous avons observé que 4EHP est fortement enrichi dans les fractions polysomales en hypoxie, ce qui confirme le rôle de ce facteur d'initiation dans la traduction en hypoxie. La réduction de l'expression de 4ehp altère également le développement de la Drosophile dans des conditions hypoxiques. Ensemble, nos résultats indiquent que des ARNm spécifiques peuvent contourner le blocage traductionnel imposé par les conditions hypoxiques. Ce processus est contrôlé par l'élément riche en "CA" situé dans la partie 3'UTR de l’ARNm et est régulé positivement par le facteur d'initiation de la traduction 4EHP.