Modèles physiques pour l'étude de la cinétique de transport des ribosomes sur l'ARN messager lors de la traduction génétique et l'interprétation des données de ribosome profiling - Laboratoire Charles Coulomb (L2C) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Physical models for the study of ribosome transport kinetics on messenger RNA during gene translation and interpretation of ribosome profiling data

Modèles physiques pour l'étude de la cinétique de transport des ribosomes sur l'ARN messager lors de la traduction génétique et l'interprétation des données de ribosome profiling

Carole Chevalier
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1253681
  • IdRef : 26866577X

Résumé

The intracellular environment is densely populated and extremely organized. Several transport processes take place within this environment: the walking and translocation of molecular motors on microfilaments, as well as on DNA and messenger RNA (mRNA). In this thesis we study the translocation of ribosomes on mRNA ,which permits the translation of the genetic code into proteins and which from a physical point of view is an  example of a one dimensional directed transport process. It is a non-linear, stochastic and non-equilibrium thermodynamic phenomenon that belongs to non-equilibrium statistical physics.Gene translation is the major steps involved in gene expression, which is regulated by several mechanisms that are still poorly understood. By providing a physical study of translation kinetics, we hope to contribute to a better understanding of the regulation of protein production during this step. Such an understanding should also impact medical research on diseases related to gene expression deregulation such as cancer and neurodegenerative diseases.A first chapter is devoted to the biological context of translation and to a brief description of ribosome profiling experiments, a deep sequencing method performed by our biologist colleagues. It has allowed, over the last ten years, considerable progress in translation research, but the complexity of the studied system requires a more advanced physico-mathematical modeling approach.The second chapter describes the paradigmatic model of one-dimensional directed transport, the Totally Asymmetric Simple Exclusion Process (TASEP) lattice gas model, and its variants, closer to the actual ribosomal translocation process, are studied. We show that an extended particle generates non-negligible exclusion effects in the low density phase. In particular, exclusion at the translation start (initiation) has the largest effect on the average density along the lattice when the ratio of the initiation rate to the hopping rate of the particle is less than or equal to 0.1, while when this ratio is higher, such an edge effect at the lattice exit also becomes non-negligible.In the third chapter, we model the set of mRNAs, sequenced in the ribosome profiling experiment (or Ribo-Seq), by a ballistic model where ribosomes are point particles moving deterministically on filaments having, what is rarely considered, a finite lifetime. We show that, for parameters with typical biological values, the finite lifetime effect is negligible when considering the whole set of mRNAs (polysomes), but becomes important when considering populations of mRNAs sorted by their number of ribosomes, the k-somes. We precisely characterize this effect by a parametric analysis of the model and define three regimes of degradation depending on to the translation initiation rate, the degradation rate of mRNAs , and the time for the ribosomes to cross the mRNA.In the last chapter, we demonstrate, for the first time to our knowledge, this finite lifetime effect on the Ribo-Seq profiles of monosomes, disomes, trisomes and tetrasomes (k-somes for k=1,2,3 and 4). We then compare our model with several thousands of Ribo-Seq profiles obtained by our collaborators (biologists from the IGF and bioinformaticians from the LIRMM). We observe that our model describes qualitatively the k-some profiles, but that a mechanism generates a non-negligible discrepancy between the densities of the model and the experimental profiles when the number k of ribosomes increases. From our study in Chapter 2, we believe that this discrepancy could be due to the interaction between ribosomes, which is not taken into account within the ballistic model. Finally, in this chapter we propose a method for inferring the kinetic parameters of translation, the initiation rate and the ribosome hopping rate using the monosome and the polysome densities.
L'environnement intracellulaire est densément peuplé et extrêmement organisé.Plusieurs processus de transport y ont lieu : la marche des moteurs moléculaires sur les microtubules et les microfilaments d'actine, ainsi que la translocation d'autres moteurs moléculaires comme l'ARN polymérase sur l'ADN et les ribosomes sur l'ARN messager (ARNm).Dans cette thèse, nous étudions la translocation du ribosome sur l'ARNm permettant la traduction du code génétique en protéines et qui, d'un point de vue physique, est un processus de transport dirigé à une dimension. Il s'agit d'un phénomène non-linéaire, stochastique et hors-équilibre thermodynamique qui relève de la physique statistique hors-équilibre.La traduction génétique est une étape de l'expression des gènes régulée par plusieurs mécanismes qui sont encore mal connus. En apportant une étude physique de la cinétique de traduction, nous espérons contribuer à une meilleure compréhension de la régulation de la production des protéines pendant cette étape. Une telle compréhension devrait impacter également la recherche médicale en ce qui concerne les maladies liées à une dérégulation de l'expression génétique comme le cancer et les maladies neurodégénératives.Un premier chapitre est consacré au contexte biologique de la traduction ainsi qu'à la brève description de l'expérience de ribosome profiling , une méthode de séquençage haut débit effectuée par nos collègues biologistes. Elle permet, depuis une dizaine d'années, une avancée considérable de la recherche sur la traduction, mais la complexité du système mesuré nécessite un travail de modélisation physico-mathématique plus poussé.Le deuxième chapitre décrit le modèle paradigmatique des transports dirigés à une dimension, le modèle de gaz sur réseau Totally Asymmetric Simple Exclusion Process (TASEP) et ses variantes, plus proches de la translocation ribosomale, sont étudiées. Nous montrons qu'une particule étendue engendre des effets d'exclusions non-négligeables en phase basse densité. En particulier, l'exclusion au départ de la traduction a l'effet le plus important sur la densité moyenne le long du réseau lorsque le rapport du taux d'initiation sur le taux de saut de la particule est inférieur ou égal à 0,1, tandis que lorsque ce rapport est plus élevé, un effet de bord en sortie du réseau devient aussi non négligeable.Dans le troisième chapitre, nous modélisons l'ensemble d'ARNm, séquencé dans l'expérience de ribosome profiling (ou Ribo-Seq), par un modèle balistique où les ribosomes sont des particules ponctuelles se déplaçant de manière déterministe sur des filaments ayant, ce qui est rarement considéré, une durée de vie finie.Nous montrons que, pour des paramètres ayant des valeurs biologiques typiques, l'effet de temps de vie fini sur la densité de ribosomes est négligeable lorsqu'on considère l'ensemble des ARNm, les polysomes, mais qu'il devient important lorsqu'on considère des populations d'ARNm séparées par leur nombre de ribosomes, les k-somes. Nous caractérisons précisément cet effet par une analyse paramétrique, ce qui nous permet de définir trois régimes de dégradation de l'ARNm.Dans le dernier chapitre, nous mettons en évidence pour la première fois à notre connaissance cet effet de temps de vie fini sur des profils de Ribo-Seq de monosomes, disomes , trisomes et tétrasomes (k-somes pour k=1,2,3 et 4). Nous comparons ensuite notre modèle avec plusieurs milliers de profils Ribo-Seq effectués par nos collaborateurs biologistes de l'IGF et bioinformaticiens du LIRMM pour observer que notre modèle décrit qualitativement les profils k-somes, mais qu'un phénomène engendre un écart non-négligeable entre les densités du modèle et les profils expérimentaux quand le nombre de ribosomes k augmente. Enfin, nous proposons dans ce chapitre une méthode de déduction des paramètres cinétiques de la traduction, le taux d'initiation et le taux de saut du ribosome à l'aide de la densité monosome et de la densité polysome.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04095361 , version 1 (11-04-2023)
tel-04095361 , version 2 (11-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04095361 , version 2

Citer

Carole Chevalier. Modèles physiques pour l'étude de la cinétique de transport des ribosomes sur l'ARN messager lors de la traduction génétique et l'interprétation des données de ribosome profiling. Génétique. Université de Montpellier, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UMONS075⟩. ⟨tel-04095361v2⟩
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