Le biais d’usage des codons joue un rôle central dans la régulation de l’expression génique en influençant à la fois la dynamique de la traduction et la stabilité des ARNm. En particulier, il affecte la vitesse d’élongation des ribosomes et peut favoriser le recrutement des machineries de dégradation des ARN. Le complexe CCR4-NOT est un acteur majeur de la régulation des ARNm et a été impliqué dans le contrôle dépendant des codons, notamment via sa sous-unité CNOT3, capable de s’associer aux ribosomes en cours de traduction. Cependant, la manière dont ce complexe intègre les informations liées à l’usage des codons et à leur optimalité à travers les différentes étapes de l’expression génique dans les cellules humaines reste encore mal comprise.
Ce travail explore le rôle de CNOT3 dans le couplage entre la composition nucléotidique et la régulation de l’expression génique. Pour répondre à cette question, une lignée cellulaire humaine dans laquelle le complexe CCR4-NOT est découplé des ribosomes par délétion du domaine N-terminal de CNOT3 a été utilisée. L’impact de cette perturbation a été étudié à l’aide d’une approche multi-omique intégrative combinant ribosome profiling, RNA-seq et protéomique. Les analyses de ribosome profiling ont révélé que les variations d’efficacité traductionnelle étaient fortement associées à l’usage des codons et au contenu en GC sur la troisième position des codons (GC3). Les analyses transcriptomiques ont montré un changement global de la composition des ARNm, caractérisé par une diminution des transcrits riches en GC et un enrichissement en transcrits riches en AU lors de la perturbation de l’interaction entre CNOT3 et les ribosomes. Ces résultats indiquent que l’interaction entre CNOT3 et les ribosomes constitue un déterminant important du contrôle traductionnel dépendant des codons. Plus largement, ils suggèrent que la composition nucléotidique n’est pas une simple propriété passive des ARNm, mais qu’elle participe activement à la régulation de l’expression génique aux niveaux transcriptionnel et traductionnel. Dans ce contexte, nous montrons que le domaine N-terminal de CNOT3 interagit non seulement avec les ribosomes, mais également avec l’ARN polymérase II, soutenant ainsi un rôle du complexe CCR4-NOT à la fois dans le cytoplasme et dans le noyau.
Dans son ensemble, ce travail identifie CNOT3 et le complexe CCR4-NOT comme des intégrateurs majeurs des biais de composition nucléotidique à travers plusieurs niveaux de régulation de l’expression génique. Nous proposons un modèle dans lequel un mécanisme régulateur dépendant de CNOT3 et associé au GC3 est mis en place dès la transcription puis influence la traduction via l’association aux ribosomes. Ce mécanisme fournit un cadre conceptuel permettant de comprendre comment l’usage des codons et la composition nucléotidique peuvent coordonner l’abondance des ARNm et la synthèse protéique, et comment leur dérégulation pourrait contribuer à des états pathologiques dans les cellules humaines.
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Codon usage bias plays a central role in regulating gene expression by influencing both translation dynamics and mRNA stability. In particular, it affects ribosome elongation rates and can promote the recruitment of mRNA decay machineries. The CCR4-NOT complex is a major effector of mRNA regulation and has been implicated in codon-dependent control, notably through its CNOT3 subunit, which can associate with translating ribosomes. However, how this complex integrates codon usage and optimality information across different stages of gene expression in human cells remains unclear.
This work investigates the role of CNOT3 in linking nucleotide composition to gene expression regulation. To address this question, a human cell line in which the CCR4-NOT complex is uncoupled from ribosomes by deleting the N-terminal domain of CNOT3 was used. The impact of this perturbation was investigated using an integrative multi-omics approach combining ribosome profiling, RNA sequencing, and proteomics. Ribosome profiling revealed that changes in translational efficiency were strongly associated with codon usage and GC content at the third codon position (GC3). Transcriptomic analyses showed a global shift in mRNA composition, with a decrease of GC-rich transcripts and an enrichment of AU-rich transcripts upon disruption of the CNOT3-ribosome interaction. These results indicate that the interaction between CNOT3 and translating ribosomes is an important determinant of codon-dependent translational control. More broadly, they suggest that nucleotide composition is not only a passive feature of mRNAs but actively shapes gene expression at both transcriptional and translational levels. Supporting this idea, we show that the N-terminal domain of CNOT3 interacts not only with ribosomes but also with RNA polymerase II, thus supporting a role of the CCR4-NOT complex in both the cytoplasm and the nucleus.
Overall, this work identifies CNOT3 and the CCR4-NOT complex as key integrators of nucleotide composition biases across multiple layers of gene expression. A model is proposed in which a CNOT3-dependent GC3-associated regulatory mechanism established during transcription and influences translation through ribosome association. This mechanism provides a framework to understand how codon usage and nucleotide composition can coordinately regulate mRNA abundance and protein synthesis, and how their disruption may contribute to pathological states in human cells.
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