Les leucémies aiguës myéloïdes (LAM) sont des proliférations malignes de progéniteurs bloqués lors de la différenciation myéloïde. Le caryotype des blastes leucémiques identifie 3 groupes pronostiques distincts. Parmi les LAM à risque cytogénétique favorable, figurent les leucémies aiguës promyélocytaires (LAP), et celles avec inv(16) ou t(8;21). Les micro-ARNs sont des acteurs clef de l’hématopoïèse et sont aussi impliqués dans la leucémogénèse des LAM. Ils sont très stables dans le sérum et sont utilisés comme biomarqueurs dans les cancers. Le but de cette thèse était d’évaluer si une caractérisation pangénomique des micro-ARNs sériques permettait de distinguer ces 3 types de LAM entre elles ainsi que les LAM avec caryotype normal (NK-AML); d’identifier des micro-ARNs circulants fortement surexprimés dans les NK-AML par rapport à des sujets sains, pour une utilisation ultérieure comme marqueurs de maladie résiduelle; et de mieux préciser le pronostic des NK-AML. Ainsi, nous avons identifié une signature sérique spécifique des LAP liée à une dérégulation des micro-ARNs localisés dans la région DLK1-DIO3 soumise à l’empreinte, en 14q32. Ces micro-ARNs, dont l’origine était le blaste leucémique, étaient corrélés aux facteurs pronostiques connus des LAP. Par ailleurs, deux micro-ARNs, miR-10a-3p et miR-196b-5p, distinguant les NK-AML des LAM avec inv(16) ou t(8 ;21) ont été montré surexprimés dans les NK-LAM avec une mutation de NPM1 et/ou de FLT3-ITD. Enfin l’expression de ces deux micro-ARNs est corrélée à la dérégulation transcriptionnelle et à la méthylation de l’ADN affectant les gènes HOX et TALE. En conclusion, cette étude des micro-ARNs sériques ouvre un nouveau champ d’exploration à visée pronostique dans les LAM. / Acute myeloid leukaemia (AML) is a malignant proliferation of progenitors blocked during myeloid differentiation. The karyotype of the leukemic blasts identified three distinct prognostic groups. Among the favourable risk cytogenetics AML include acute promyelocytic leukaemia (APL), and those with inv (16) or t (8; 21). Micro-RNAs are key players in hematopoiesis and are also involved in leukemogenesis of AML. They are very stable in serum and used as biomarkers in cancers. The aim of this thesis was to evaluate whether a genome-wide characterization of serum micro-RNAs possible to distinguish these three types of AML them as well as AML with normal karyotype (NK-AML); identify micro-RNAs circulating highly overexpressed in NK-AML compared to healthy subjects, for later use as markers of residual disease; and to better define the prognosis of NK-AML. Thus, we have identified a specific serum signing of LAP related to a deregulation of micro-RNAs located in the DLK1-DIO3 under the imprinting, in 14q32. These micro-RNAs whose origin was the leukemic blasts were correlated with known prognosis factors of APL. In addition, two micro-RNAs, miR-10a-3p and miR-196b-5p, distinguishing the NK-AML with inv (16)-AML or t (8; 21)-AML have been shown overexpressed in NK-AML with mutation NPM1 and / or FLT3-ITD. Finally the expression of these two micro-RNAs correlates withtranscriptional deregulation and DNA methylation affectingTALE and HOX genes. In conclusion, this study of serum microRNAs opens a new field of exploration to assess the prognosis in AML.

La capacité à répondre aux changements environnementaux est cruciale pour l’établissement et la persistance des populations dans un système hétérogène. Les processus sous-jacents à cette capacité peuvent prendre différentes formes. La grande diversité génétique (et phénotypique) découlant de la reproduction sexuée est un des processus permettant à une population de répondre aux différentes conditions environnementales par la survie d’au moins quelques individus. D’autre part, les processus épigénétiques, en permettant la modification du patron d’expression des gènes, contribuent également à la variation phénotypique. Ces variations peuvent survenir accidentellement (épimutations) ou en réponse à un stimulus environnemental (plasticité). Les processus épigénétiques représenteraient ainsi une alternative à la variation génétique pouvant expliquer le succès écologique des organismes génétiquement identiques. Toutefois, les génotypes ne répondent pas tous de la même façon aux conditions environnementales ; certains génotypes sont considérés comme généralistes et peuvent s’acclimater à une vaste gamme de conditions environnementales alors que d’autres sont plutôt spécialistes et restreints à un type d’environnement donné. L’objectif général de cette thèse est de mettre en évidence certains des processus responsables de la persistance des organismes asexués en déterminant les relations entre la variation épigénétique, la variation phénotypique et les stratégies écologiques. Pour ce faire, des hybrides asexués Chrosomus eos-neogaeus, un poisson à reproduction clonale, ont servi de modèle biologique. Se reproduisant par gynogenèse, les lignées clonales (génotypes) doivent faire face aux mêmes variations environnementales que les espèces parentales sexuées. De plus, la répartition géographique de chacune des lignées suggère la présence de génotypes généralistes et spécialistes. L’analyse de ces lignées en milieux naturels et en milieux contrôlés a permis de décortiquer l’influence des variations génétique, environnementale et épigénétique sur la variation phénotypique. Dans un premier temps, les modèles de stratégies généraliste et spécialiste ont été testés de manière empirique : (i) des analyses génétiques ont permis d’inférer les processus historiques expliquant la diversité et la répartition actuelle des lignées clonales ; (ii) l’analyse du patron de ii méthylation de différentes lignées a permis de déterminer l’importance relative des sources de variations épigénétiques selon les fluctuations environnementales et de les associer à une stratégie écologique : une importante influence de l’environnement ou une plus grande stochasticité dans l’établissement des marques épigénétiques étant associées à la plasticité phénotypique ou au bet-hedging, respectivement ; et (iii) le rôle de la plasticité phénotypique dans la diversification de niches écologiques a été souligné par la comparaison de la variation de la morphologie trophique en milieux naturels et contrôlés. D’autre part, le second volet de cette thèse a permis d’associer un coût (détection d’une instabilité développementale) à la plasticité phénotypique et d’élaborer une hypothèse sur l’existence d’un handicap démographique nécessaire afin d’expliquer la situation contre-intuitive concernant la coexistence des organismes gynogènes et de leurs hôtes sexués. La compréhension des différents mécanismes sous-jacents au succès écologique des organismes face aux variations environnementales permet ainsi une meilleure évaluation de leur potentiel évolutif et fournit des outils supplémentaires pour leur protection face à un environnement changeant. / The capacity to cope with environmental changes is crucial to the establishment and persistence of populations. The processes underlying such a capacity can take different forms. The high genetic (and phenotypic) diversity arising from sexual reproduction is one process that allows to cope with different environmental conditions through the survival of at least a few individuals. On the other hand, epigenetic processes, allowing the modification of gene expression, are also responsible for phenotypic variation. Epigenetic changes may occur accidentally (epimutations) or in response to an environmental stimulus (plasticity). Thus, epigenetics would represent an alternative process to genetic variation to explain the ecological success of genetically identical organisms. However, genotypes are not equally capable of coping with environmental changes. Some genotypes are generalists and can acclimatize to a wide range of environmental conditions, whereas other genotypes are specialized and restricted to narrow environmental conditions. The general objective of this thesis is to highlight the processes responsible for the persistence of asexual organisms by determining the relationship between epigenetic processes, phenotypic variation and ecological strategies. To achieve this, the clonal hybrid fish Chrosomus eos-neogaeus were used as a biological model. By reproducing by gynogenesis, the clonal lineages (genotypes) are distributed among the same environments than the sexual parental species. Moreover, the geographical distribution of the lineages suggests the presence of generalist and specialist genotypes. The analysis of these lineages in natural and controlled conditions allowed to disentangling the influence of genetic, environmental and epigenetic variations on phenotypic variation. On the one hand, generalist and specialist strategies were empirically tested: (i) genetic analyses were used to infer the historical processes explaining the diversity and the current distribution of the clonal lineages; (ii) the comparison of methylation patterns in different lineages allowed to determine the dynamism of the epigenetic processes according to environmental fluctuations and to associate them with an ecological strategy: an important environmental or stochastic effect on epigenetic variation being associated with phenotypic iv plasticity or bet-hedging, respectively; and (iii) the role of phenotypic plasticity in niches diversification was highlighted by comparing individuals’ trophic morphology in natural and controlled conditions. On the other hand, the second part of this thesis has allowed to associate a cost (developmental instability) to phenotypic plasticity and to propose a hypothesis about the existence of a demographic handicap necessary to explain the paradox regarding the coexistence of sexual and asexual sperm-dependent organisms. Understanding these different mechanisms underlying the ecological success of organisms in face of environmental heterogeneity allows us to better establish their evolutionary potential and provides additional tools to protect them against changing environments.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre d'une formation doctorale en bioéthique au département de médecine sociale et préventive à l'École de santé publique de l'Université de Montréal (ESPUM). Elle a été complétée grâce au soutien financier des Fonds de recherche du Québec - Santé (FRQS) et des Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC). / L’épigénétique est un champ de recherche qui s’intéresse aux variations dans l'activité des gènes n’impliquant pas de modification de la séquence d'ADN et pouvant être transmises lors des divisions cellulaires. Les chercheurs dans ce domaine se penchent principalement sur le rôle de changements très précis dans la structure 3D de l’ADN, qui sont imposés par la méthylation de l’ADN et d'autres réactions biochimiques et qui ont pour effet de contraindre ou de faciliter la lecture des gènes en fonction du besoin des cellules. De nombreuses maladies ont été associées à une perturbation des mécanismes épigénétiques, comme les cancers, les maladies cardiovasculaires, les désordres hormonaux et métaboliques, les maladies inflammatoires chroniques et les troubles neuropsychologiques. Au cours des quinze dernières années, l’épigénétique a connu un essor fulgurant. Elle fut particulièrement propulsée par la recherche en épigénétique environnementale, une spécialité qui s’intéresse aux causes externes de l’altération des mécanismes épigénétiques. Cette branche de la recherche a récemment suscité une vive attention de la part des médias et des chercheurs en sciences sociales et humaines, parce qu’elle met en évidence, au niveau moléculaire, l’influence critique de l’environnement physico-chimique et psychosocial des personnes sur leur santé. Elle apporte ainsi un éclairage supplémentaire sur la relation étroite qui existe entre les inégalités sociales et les inégalités de santé. L’épigénétique environnementale pourrait donc nous encourager, non seulement à imaginer des technologies biomédicales capables de renverser les perturbations acquises, mais aussi à élaborer des stratégies de santé publique préventives, soucieuses des considérations de justice sociale qui affectent la santé des personnes et des populations. Dans cette thèse, nous proposons une exploration des implications éthiques, légales et sociales de l’épigénétique (EpigELS). Nous présentons d’abord une revue exhaustive des différentes observations, interprétations et spéculations exprimées dans la littérature en sciences sociales et humaines au sujet des conséquences épistémologiques et normatives de ce jeune champ de recherche. Nous procédons ensuite à une analyse en trois temps de l’application des connaissances. Une première approche, que nous appelons la perspective rhétorique, fait la promotion de l’épigénétique environnementale comme plaidoyer en faveur de politiques de santé préventives et de l’expansion de la bioéthique nord-américaine pour y inclure les préoccupations environnementales et les enjeux relatifs aux déterminants sociaux de la santé (article 1). Une seconde approche, que nous appelons la perspective dialectique, offre un regard critique sur l’attribution de responsabilités morales fondée sur les découvertes en épigénétique. Elle démontre toute la complexité de cette entreprise en faisant la lumière sur les incertitudes scientifiques et les contradictions internes apparentes de ce champ d’étude, spécialement autour des concepts de norme épigénétique et de plasticité épigénétique (article 2). Une troisième approche, que nous appelons la perspective réflexive, se penche sur l’influence potentielle du paysage biopolitique contemporain – molécularisation de la santé et biomédicalisation de la vie – sur l’application des connaissances. Dans ce ‘régime de vérité’ néolibéral, qui favorise les processus d’internalisation, d’isolement, de marchandisation et de technologisation, il est probable que l’application clinique des découvertes en épigénétique soit injustement privilégiée, par défaut, au détriment de leur application en politiques de santé préventives (article 3). Nous terminons par une ouverture sur l’avenir du domaine EpigELS et une brève discussion sur la nature en partie interprétative du processus de passage des connaissances à la pratique. / Epigenetics is a field of research focusing on variations in gene activity that do not involve changes in the DNA sequence and that can be transmitted during cell divisions. Researchers in this field are studying the role of very precise changes in the 3D structure of DNA, imposed by DNA methylation and other biochemical reactions, that impede or facilitate the reading of genes depending on the need of the cells. Many diseases are associated with a disruption of epigenetic mechanisms, such as cancers, cardiovascular diseases, hormonal and metabolic disorders, chronic inflammatory diseases and neuropsychological disorders. Over the past fifteen years, epigenetics has grown rapidly. It was particularly propelled by research in environmental epigenetics, which is interested in the external causes of the alteration of epigenetic mechanisms. This branch of research has recently attracted considerable attention from the media and researchers in social sciences and humanities because it highlights, at the molecular level, the critical influence of the physico-chemical and psycho-social environment on people’s health. It also sheds additional light on the close relationship between social inequalities and health inequalities. Thus, environmental epigenetics could encourage us not only to conceive biomedical technologies capable of reversing the acquired detrimental variations, but also to develop preventive public health strategies that take into account social justice considerations affecting the health of individuals and populations. In this thesis, we propose an exploration of the ethical, legal and social implications of epigenetics. We begin by presenting a comprehensive review of the various observations, interpretations and speculations expressed in the social sciences and humanities literature about the epistemological and normative consequences of this young field of research. We then proceed to a three-step analysis of knowledge translation. A first approach, that we call the rhetorical perspective, promotes environmental epigenetics as an advocacy tool for preventive health policies and the expansion of North American bioethics towards a view that includes environmental concerns and social determinants of health (Article 1). A second approach, that we call the dialectical perspective, offers a critical look at the assignment of moral responsibilities based on epigenetic discoveries. It demonstrates the complexity of this endeavor by shedding light on the scientific uncertainties and apparent internal contradictions of this field of study, especially with regards to the notions of epigenetic normality and epigenetic plasticity (Article 2). A third approach, that we call the reflexive perspective, examines the potential influence of the contemporary biopolitical landscape – molecularization of health and biomedicalization of life – on knowledge translation. In this neoliberal ‘regime of truth’, which favors the processes of internalization, isolation, commodification and technologization, it is likely that the clinical translation of epigenetics will be unduly privileged, by default, impeding its translation into important preventive health policies (Article 3). We conclude with a view towards the future of the field of EpigELS and a brief discussion on the partly interpretive nature of the knowledge-to-practice process.

L'épigénome est défini par l’ensemble de l’information chromatinienne autre que celle fournie par la séquence ADN. Au sein d'une même espèce et pour un type cellulaire donné, chaque individu présente des caractéristiques particulières de l'épigénome. Les épi-polymorphismes, définis comme étant les différences inter-individus de marques chromatiniennes, sont encore partiellement caractérisés et peuvent être liés aux phénotypes de chacun. La première partie de mon travail a été d'identifier et d'interpréter chez S.cerevisiae l'impact des épi-polymorphismes de modification des queues d'histones. Pour y parvenir, j'ai cartographié les épigénomes de cinq modifications différentes (3 acétylations et 2 méthylations) chez trois souches de levures issues de différents isolats naturels. Par une méthode de ChIP-seq et le développement d'un outil informatique, j'ai comparé les épigénomes de ces souches à l'échelle de nucléosomes individuels. L'étude des propriétés génomiques des épi-polymorphismes m'a alors permis de découvrir certaines caractéristiques encore inconnues et décrites dans ce manuscrit.Par ailleurs, j'ai voulu aborder le lien entre épi-polymorphismes et réponse transcriptionnelle à l'environnement. Pour cela, j'ai construit un jeu de souches mutantes dérivées de souches naturelles, où certains épi-polymorphismes ne peuvent plus être maintenus. J'ai analysé par RNA-seq les transcriptomes de certaines de ces souches avant et après un changement environnemental. Malheureusement, l'analyse des résultats a révélé que la qualité des données ne permettent pas d'établir le lien recherché mais les outils mis en place sont désormais disponibles.J'ai enfin étudié la dynamique d'évolution d'un épigénome en présence ou en l'absence de pression de sélection. Pour cela, j'ai suivi une modification d'histone (l'acétylation de la lysine 14 de l'histone H3) chez la levure pendant 1.000 générations dans deux conditions d'évolution expérimentale différentes : l'une sélective, l'autre neutre. J'ai mis en évidence des différences remarquables et inattendues entre ces deux régimes évolutifs. Des études mécanistiques détaillées restent à faire pour caractériser la nature et les propriétés de ces différences. / Epigenome is defined as the entire chromatin information other than the DNA sequence. Within a given species and for a given cell type, each indivual has specific epigenomic characteristics. Epigenomic differences between individuals (refered to as 'epi-polymorphisms') remain poorly characterized, although cases were reported where they could be linked to phenotypic differences. In my thesis, I used the model organism S. cerevisiae to identify histone modification epi-polymorphisms and study their biological impact. I profiled the epigenome of five different histone modifications (3 acetylations and 2 methylations) in three natural yeast strains. By ChIP-seq methods and software developments, I compared these strains at single-nucleosome resolution and discovered novel characteristics of these epi-polymorphisms which are described in this manuscript.Furthermore, I constructed a research framework to investigate the link between epi-polimorphisms and response to environmental cues. For this, I built a set of mutant strains derived from natural strains but where some epi-polymorphisms can no longer be maintained. I analyzed by RNA-seq the transcriptomes of some of these mutant strains before and after an environmental shift. Unfortunately, the quality of this initial data produced was not sufficient to link epi-polymorphisms to differntial responses, but the strain resources remain available for further investigations. Finally, I studied the evolutionary dynamics of epi-polymorphisms in the presence or absence of selection pressure. To do so, I followed the evolution of H3K14ac for 1.000 generations under two conditions of yeast experimental evolution ( selective or neutral). Marked differences were observed between the two regimes, revealing unexpected consequences of the presence of selection. Further mechanistic studies will be needed to elucidate the full properties of these differences.

Les contractions rythmiques résultent de l’activité stimulatrice du nœud sinusal dans le cœur et des cellules interstitielles de Cajal (CICs) dans les intestins. Nous avons découvert un nouveau syndrome résultant d’une combinaison de la maladie du nœud sinusal (MNS) et de la pseudo-obstruction intestinale chronique (POIC). Ce syndrome, que nous avons nommé Chronic Atrial and Intestinal Dysrhythmia (CAID), résulte d’une mutation récessive du gène SGO1 (K23E). Cependant, les rôles connus de SGO1 n'expliquent pas l'apparition postnatale du syndrome ni la pathologie spécifique, suggérant que des rôles non canoniques de SGO1 conduisent aux manifestations cliniques observées. Cette hypothèse est supportée par la comparaison de CAID avec les autres cohésinopathies qui présentent principalement des phénotypes développementaux sans ou avec des défauts légers du cycle cellulaire. Ce projet visait à une découverte non biaisée des mécanismes non canoniques expliquant le syndrome CAID en utilisant le dogme de la biologie moléculaire (ADN→ARNm→protéine) comme ligne directrice. Pour ce faire, nous avons effectué des criblages multi-omiques sur des fibroblastes de peau de patients CAID et de contrôles sains. Les résultats des criblages ont été validés par électrophysiologie, étude des voies de signalisation pertinentes, immunohistochimie, pyroséquençage des rétrotransposons LINE-1 et quantification des marques d’histones. Nos études multi-omiques ont confirmé des changements dans la régulation du cycle cellulaire, mais aussi dans la conduction cardiaque et la fonction des muscles lisses. Plus spécifiquement, plusieurs canaux potassiques étaient sous-régulés. L’électrophysiologie a confirmé une diminution du courant potassique rectifiant entrant (IK1). L'immunohistochimie des coupes intestinales de patients CAID a confirmé l’augmentation de l’expression de SGO1 et BUB1, un régulateur de la voie de signalisation TGF-β. De plus, la voie canonique de TGF-β est augmentée et est découplée de la voie non canonique. Au niveau épigénétique, une signature unique d’hyperméthylation et de fermeture de la chromatine a été observée. Ce qui est soutenu par l’augmentation de la méthylation de H3K9me3 et de H3K27me3. En conclusion, le syndrome CAID est associé à plusieurs changements ayant possiblement un effet cumulatif plutôt que d’une seule voie de signalisation dérégulée. Nos résultats désignent la perturbation du courant IK1, la dérégulation de la signalisation TGF-β, l’hyperméthylation de l’ADN et la compaction de la chromatine comme éléments conducteurs potentiels des manifestations cliniques observées. La voie TGF-β et les changements épigénétiques peuvent être ciblées par des médicaments existants, constituant ainsi des cibles thérapeutiques prometteuses pour le traitement du syndrome CAID. / Rhythmic contractions are driven by the pacemaker activity of the cardiac sinus node and the intestinal interstitial cells of Cajal (ICC). We have discovered a new syndrome resulting from a combination of sick sinus syndrome (SSS) and chronic intestinal pseudo-obstruction (CIPO). This syndrome, which we have named Chronic Atrial and Intestinal Dysrhythmia (CAID), results from a recessive mutation in the SGO1 gene (K23E). However, the known roles of SGO1 do not explain the postnatal onset of the syndrome nor the specific pathology, suggesting that non-canonical roles of SGO1 lead to the clinical manifestations observed. This hypothesis is supported by the comparison of CAID with other cohesinopathies which mainly exhibit developmental phenotypes without or with mild cell cycle defects. This project aimed towards an unbiased discovery of noncanonical mechanisms explaining CAID using the molecular biology dogma (DNA→mRNA→protein) as a guideline. We performed multi-omic screens on skin fibroblasts from CAID patients and healthy controls. Screening results were validated by electrophysiology, study of relevant signaling pathways, immunohistochemistry, LINE-1 retrotransposon pyrosequencing, and histone marks quantification. Our multiomics analyses confirmed changes in cell cycle regulation, but also in cardiac conduction and smooth muscle function. More specifically, several potassium channels were downregulated. Electrophysiology studies confirmed a decrease in the inward rectifier potassium current (IK1). Immunohistochemistry in CAID patient’s intestinal sections confirmed overexpression of SGO1 and BUB1, a regulator of TGF-β signaling pathway. Additionally, the canonical TGF-β signaling was increased and decoupled from noncanonical signaling. At the epigenetic level, CAID patient fibroblasts have a unique signature of hypermethylation and chromatin closure. This is supported by the increased methylation of H3K9me3 and H3K27me3. In conclusion, CAID syndrome is associated with several changes that, may have a cumulative effect rather than a single deregulated signaling pathway. Our results reveal the disturbance of the IK1 current, the deregulation of TGF-β signaling, DNA hypermethylation and chromatin accessibility changes as potential conductors of intestinal and cardiac manifestations of CAID syndrome. In particular, the TGF-β pathway and epigenetic changes, may be targeted by existing drugs, thus constituting promising therapeutic targets for the treatment of CAID syndrome.

La consommation d’alcool pendant la grossesse peut entraîner des conséquences néfastes sur le développement de l’enfant et mener aux troubles du spectre de l’alcoolisation fœtale (TSAF). Cependant on en connaît peu sur son effet durant la période de préimplantation. Cette période est reconnue comme étant sensible à l’environnement, majoritairement dû au fait qu’elle est caractérisée par la reprogrammation dynamique des profils de méthylation de l’ADN. L’alcool est reconnu pour altérer les mécanismes impliqués dans les processus de méthylation de l’ADN (e.g., cycle du folate, actions des DNMTs). Récemment, nous avons démontré qu’une exposition prénatale à l’alcool éthylique durant la préimplantation altère les futurs profils de méthylation de l’ADN du cerveau et augmente le nombre de défauts morphologiques à la mi-gestation. Il n’y a présentement aucun traitement pour les TSAF, mais certaines études suggèrent qu’une diète enrichie en donneurs de groupement méthyles (e.g., folate, choline), nécessaires aux réactions de méthylation, pourrait atténuer les effets d’une exposition prénatale à l’alcool. C’est pourquoi nous avons voulu déterminer si une diète enrichie en donneurs de groupements méthyles pouvait apporter une protection aux embryons ayant subi une exposition prénatale à l’alcool durant la préimplantation. Pour ce faire, une diète standard ou enrichie a été donné à des souris 4 semaines avant la gestation et pendant celle-ci. Les femelles gestantes ont reçu une dose d’alcool au jour E2.5, puis nous avons récolté les embryons à E10.5 et E18.5 pour évaluer les anomalies physiques et faire l’analyse de la méthylation des cerveaux antérieurs. Nos résultats démontrent que la diète enrichie prévient ou élimine un certain nombre de défauts morphologiques à E10.5 et E18.5. Nous avons aussi observé que la diète enrichie n’affectait pas la mise en place et le maintien de la méthylation et l’expression des gènes à empreintes durant le développement. La diète enrichie en donneurs de groupements méthyles aide donc à prévenir certains effets nuisibles de l’exposition prénatale à l’alcool survenant durant la préimplantation. / Alcohol consumption during pregnancy can have a significant impact on the development of the child and lead to fetal alcohol spectrum disorders (FASD). Nonetheless, little is known about its effect during the pre-implantation period. However, we know that this period is very sensitive to the environment, mainly because of major reprogramming of DNA methylation patterns. Moreover, alcohol can alter the mechanisms involved in DNA methylation processes (e.g., folate cycle, actions of DNMTs). Recently, we have shown that prenatal alcohol exposure (PAE) during preimplantation alters future DNA methylation patterns of the young embryo brain and increases the number of morphological defects. There is currently no treatment for FASD, but studies suggest that a diet enriched in methyl donors (e.g., folate, choline), which are necessary for methylation reactions, may mitigate the effects of PAE. Therefore, we wanted to determine if a diet enriched in methyl group donors could provide protection to embryos against a PAE during preimplantation. To do so, a standard or enriched diet was given to mice 4 weeks before and during gestation. Pregnant females were exposed to alcohol at day E2.5, then we harvested embryos (E10.5, E18.5) to assess physical abnormalities and analyse forebrain methylation. Our results demonstrate that the enriched diet reduces or eliminate defects at E10.5 and E18.5. We also observed that the fortified diet did not affect the establishment and maintenance of methylation and expression of imprinted genes during development. Thus, our results show that a methyl enriched diet can prevent some of the adverse effects of prenatal alcohol exposure occurring during preimplantation.

Une exposition prénatale à l’alcool peut altérer le développement embryonnaire et causer le Trouble du Spectre de l’Alcoolisation Fœtale (TSAF). Les mécanismes moléculaires menant aux symptômes observés chez les enfants atteints sont toutefois méconnus. Plus encore, bien que les taux de consommation excessive d’alcool (binge-drinking) et de grossesses non-planifiées soient en hausse à travers le monde, les impacts d’une exposition prénatale à l’alcool pendant la préimplantation de l’embryon, sont inconnus et peu étudiés. Dans cette thèse, je souhaitais caractériser les impacts morphologiques d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur l’embryon en développement. De plus, je voulais définir les mécanismes moléculaires impliqués dans le cerveau antérieur ainsi que dans le placenta embryonnaire, en plus d’évaluer l’effet d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur certaines fonctions cognitives au stade post-natal. Notre hypothèse de recherche est qu’une exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation entrainera des erreurs dans l’établissement du programme épigénétique embryonnaire, causant des altérations dans les profils de méthylation d’ADN et d’expression des gènes chez l’embryon et son placenta qui persisteront tout au long de la gestation. Plus encore, nous croyons que ces dérégulations moléculaires altèreront les fonctions cognitives à long terme chez les souriceaux exposés. Pour répondre à ces questions, nous avons établi un modèle murin d’exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation en injectant des femelles gestantes au jour embryonnaire 2.5 (E2.5), correspondant au stade 8-cellules, avec deux doses de 2.5g/kg d’alcool séparées par 2 heures d’intervalle. Nous avons récolté des embryons à mi-gestation (E10.5), évaluer la morphologie puis nous avons isolé le cerveau antérieur pour étudier la méthylation d’ADN et l’expression génique. Nous avons aussi récolté des embryons en fin de gestation (E18.5) et leur placenta pour procéder à des analyses de méthylation d’ADN et de l’expression génique, en plus d’effectuer des analyses histologiques des placentas. Finalement, nous avons aussi laissé naître des souris issues de notre modèle d’exposition à l’alcool pendant la préimplantation pour évaluer certaines fonctions cognitives, notamment l’anxiété, la sociabilité et la mémoire, en procédant à des tests de comportement. Nous avons d’abord observé une augmentation des anomalies morphologiques chez l’embryon à mi-gestation à la suite de l’exposition prénatale à l’alcool. Nous avons aussi découvert que l’exposition prénatale, pendant la préimplantation, engendrait des différences de méthylation d’ADN dans le cerveau antérieur à mi-gestation et en fin de gestation, dans plusieurs voies biologiques reliées au développement embryonnaire et au fonctionnement du système nerveux. La plupart des régions différentiellement méthylées (DMRs) et des gènes différentiellement exprimés (DEGs) étaient spécifiques à chaque sexe, avec peu de régions partagées entre les mâles et les femelles. Nous avons aussi identifié des DMRs et DEGs spécifiques à chaque sexe ou partagés entre les deux sexes, dans les placentas en fin de gestation en plus de démontrer une baisse du poids fœtal chez les embryons mâles exposés à l’alcool. Enfin, nous avons démontré que l’exposition prénatale pendant la préimplantation causait une baisse de la sociabilité et de la mémoire à court-terme, sans avoir d’effet sur le niveau d’anxiété des souris En conclusion, nous avons démontré qu’une exposition prénatale à l’alcool en tout début de grossesse affecte le développement embryonnaire, via l’épigénome et le transcriptome du cerveau antérieur et du placenta, et entraine des conséquences à plus long terme sur les fonctions cognitives. En perspective, nous souhaitons établir les profils de méthylation d’ADN et d’expression génique précisément dans certains sous-types cellulaires du cerveau, dont les interneurones GABAergiques afin de mieux définir les mécanismes moléculaires derrière les altérations observées. / Prenatal alcohol exposure can alter embryonic development and lead to Fetal Alcohol Spectrum Disorder (FASD). However, the molecular mechanisms underlying the symptoms in affected children remain poorly understood. Furthermore, despite the increasing rates of binge drinking and unplanned pregnancies worldwide, the impacts of prenatal alcohol exposure during the preimplantation stage of embryonic development are largely unknown and understudied. In this thesis I aimed to characterize the morphological effects of alcohol exposure during preimplantation on developing embryos. Additionally, we sought to define the extent of DNA methylation defects and gene expression in the anterior brain and embryonic placenta. Furthermore, we aimed to evaluate the effects of our preimplantation alcohol exposure on certain cognitive functions in the postnatal stage. Our research hypothesis is that acute alcohol exposure during preimplantation will lead to errors in establishing the embryonic epigenetic program, causing alterations in DNA methylation profiles and gene expression in both the embryo and its placenta, persisting throughout gestation. We also believed that these molecular dysregulations would result in long-term cognitive impairments in exposed pups. To address these questions, we established a preclinical mouse model of acute alcohol exposure during preimplantation by injecting pregnant females on embryonic day 2.5 (E2.5), corresponding to the 8-cell stage, with two doses of 2.5g/kg of alcohol, separated by a 2-hour interval. We collected embryos at mid-gestation (E10.5), assessed for morphological defects and isolated the forebrain for DNA methylation and gene expression studies. We also collected embryos at late gestation (E18.5) along with their placenta for DNA methylation and gene expression analyses, as well as histological examinations of fixed placentas. Finally, we allowed mice from our preimplantation alcohol exposure model to be born and assessed specific cognitive functions such as anxiety, sociability, and memory through behavioral tests. First, we observed an increase in morphological anomalies in mid-gestation embryos following prenatal alcohol exposure and discovered that prenatal exposure during preimplantation led to DNA methylation differences in the forebrain at mid-gestation and late gestation, affecting various biological pathways related to embryonic development and nervous system function. Most of the differentially methylated regions (DMRs) and differentially expressed genes (DEGs) were sex-specific, with only few regions shared between males and females. We also identified sex-specific and shared DMRs and DEGs in late gestational placentas. Additionally, we demonstrated a decrease in fetal weight in male embryos and showed that preimplantation alcohol exposure caused reduced sociability and short-term memory without affecting the anxiety levels of the mice. In conclusion, we have shown that early preimplantation alcohol exposure affects embryonic development through the epigenome and transcriptome of the anterior brain and placenta, leading to long-term cognitive consequences. Moving forward, we intend to establish DNA methylation and gene expression profiles specifically in certain brain cell subtypes, including GABAergic interneurons, to better define the molecular mechanisms underlying the observed alterations.

Le suppresseur de tumeurs BAP1 est la déubiquitinase la plus fréquemment mutée dans le cancer humain. Ce dernier est impliqué dans la régulation des gènes cibles des facteurs de transcription E2Fs, qui sont des régulateurs centraux de la prolifération cellulaire en contrôlant, les points de contrôle du cycle cellulaire, la mitose, la réparation de l'ADN et l'apoptose. Dans le complexe BAP1, nous notons plusieurs protéines liant la chromatine, telles que les facteurs de transcription FOXKs (FOXK1 et FOXK2), qui sont connues pour recruter BAP1 sur ses gènes cibles. En effet, le complexe BAP1 est recruté à la chromatine pour assurer sa fonction de déubiquitination de la marque d’histone répressive H2AK119ub, et ainsi, réguler l'expression des gènes. Dans cette étude, nous avons cherché à étudier l'axe BAP1-FOXKs dans la régulation des fonctions cellulaires associées à ce complexe. Fait intéressant, FOXK1, mais pas FOXK2, est connue pour avoir des propriétés oncogéniques, car des niveaux d'expression plus élevés de FOXK1 ont été observés dans une variété de cancers et sont corrélés avec la progression tumorale, l'invasion et les métastases. Ce fait soulève de nombreuses questions sur la nature de la régulation entre ces protéines dont la question suivante : s’agit-il d’une relation de coopération ou antagonisme, entre le suppresseur de tumeurs BAP1 et l’oncogène FOXK1 ? De façon intéressante, nous avons découvert que les protéines FOXK1 et FOXK2 forment deux complexes mutuellement exclusifs avec le complexe BAP1, ce qui suggère qu'elles ont des fonctions moléculaires et cellulaires distinctes à travers ce complexe. Nos études phénotypiques en utilisant des fibroblastes primaires humains montrent que FOXK1 et FOXK2 régulent différemment la prolifération cellulaire, la sénescence cellulaire et la transformation oncogénique. En effet, FOXK1, mais pas FOXK2, favorise la prolifération cellulaire via l’activation de l'expression d'E2F1 et de ses gènes cibles. En conséquence, FOXK1 retarde la sénescence cellulaire et favorise une réplication prolongée des fibroblastes primaires. De plus, la surexpression de FOXK1 favorise la transformation oncogénique des fibroblastes primaires transduits par les oncoprotéines E1A et RAS V12G en augmentant la pénétrance et en diminuant le temps de latence de formation des tumeurs. Ces résultats confirment que ces facteurs disposent de fonctions de signalisation cellulaire distinctes et suggèrent qu'ils sont régulés de manière différentielle au niveau moléculaire. Afin d’investiguer davantage le mécanisme moléculaire qui pourrait distinguer entre les fonctions cellulaires de FOXK1 et FOXK2, nous avons cherché à étudier les modifications post-traductionnelles de ces facteurs. Fait intéressant, nos données de spectrométrie de masse ont révélé que seul FOXK1, mais pas FOXK2, est modifié par O-GlcNAcylation, une modification post-traductionnelle catalysée par l'enzyme OGT. Nos essaies in-vitro montrent que cette modification régule la fonction de FOXK1 dans la prolifération cellulaire car le mutant de la O-GlcNAcylation réduit l'impact prolifératif de FOXK1 sur des cellules. Nos essaies in-vivo, en utilisant un modèle de xénogreffe de cellules cancéreuses humaines chez la souris, confirment que la O-GlcNAcylation de FOXK1 favorise la croissance tumorale. Plus intéressant, le mutant de la O-GlcNAcylation de FOXK1 affecte la transformation oncogénique des fibroblastes primaires transduits par E1A et RAS V12G, en augmentant le temps de latence tumorale et diminuant la taille finale de la tumeur. Au niveau de la chromatine, la O-GlcNAcylation de FOXK1 favorise le recrutement de BAP1 sur les gènes cibles des facteurs E2Fs afin deubiquitiner H2AK119Ub et permettre leur expression. En conclusion, la O-GlcNAcylation est un mécanisme clé qui régule la fonction de FOXK1 dans la prolifération cellulaire, et qui contribue à son activité oncogénique. Dans une autre perspective de cette étude, et afin d'investiguer l'importance de l'axe de signalisation BAP1-FOXKs dans la fonction de suppression tumorale de BAP1, nous avons étudié le rôle fonctionnel de l’interaction BAP1-FOXKs dans un modèle murin. Nous avons généré un modèle de souris en utilisant le système d'édition de gènes CRISPR/Cas9 pour muter la thréonine 492 du gène bap1, en alanine et ainsi perturber l'interaction entre les FOXKs et BAP1 chez la souris. Des descendants hétérozygotes de Bap1T492A/+ ont été croisés pour générer des individus homozygotes et étudier leur phénotype. Fait intéressant, nos résultats montrent que les souris homozygotes Bap1T492A/T492A meurent au stade embryonnaire. De plus, les quelques souris homozygotes Bap1T492A/T492A viables échappant à la barrière de létalité (qui représentent seulement 4.7 % au lieu de 25%) sont remarquablement plus petites et certaines d'entre elles ont présenté des anomalies de développement. De plus, lors de l'analyse du système immunitaire des souris adultes homozygotes Bap1T492A/T492A, nous avons constaté une réduction importante dans les proportions des cellules NKT qui sont des combattants du système immunitaire pouvant éliminer les cellules cancéreuses. Ensemble, ces données montrent que l'axe BAP1-FOXKs est important pour le développement et fournissent de nouvelles informations sur la manière dont les événements de signalisation entre le suppresseur de tumeurs BAP1 et les facteurs FOXKs doivent être étroitement contrôlés pour maintenir une homéostasie cellulaire normale et prévenir le cancer. / The tumor suppressor BAP1 is one of the most frequently mutated deubiquitinase in human cancer. This latter is involved in the regulation of the E2F target genes, which are central regulators of cellular proliferation by controlling, cell cycle checkpoints, mitosis, DNA repair, and apoptosis. Importantly, in the BAP1 complex, we note several chromatin-binding proteins, such as FOXKs transcription factors, which are known to recruit BAP1 to its target genes. Indeed, the BAP1 complex is recruited to chromatin to ensure its deubiquitinating function of the repressive histone mark H2AK119ub and thus regulating gene expression. In this study, we sought to investigate the BAP1-FOXKs axis in regulating associated cellular functions. Interestingly, FOXK1 but not FOXK2, is known to have oncogenic properties as higher expression levels of FOXK1 has been observed in a variety of cancers and is correlated with tumor progression, invasion, and metastasis. These results raise many questions about the nature of the regulation between these proteins, including whether there is a cooperative or antagonistic relationship between the tumor suppressor BAP1 and the oncogene FOXK1? Interestingly, we found that FOXK1 and FOXK2 proteins are mutually exclusive for their interactions with the BAP1 complex, which suggests that they have distinct molecular and cellular functions within this complex. Our functional studies using human primary fibroblasts show that FOXK1 and FOXK2 regulate differentially cell proliferation, cellular senescence, and oncogenic transformation. Indeed, FOXK1, but not FOXK2, promotes cellular proliferation through the activation of the expression of E2F1 and its target genes. As a consequence, FOXK1 delays cellular senescence and promotes prolonged primary cell replication. In addition, overexpression of FOXK1 promotes oncogenic transformation of primary fibroblasts transduced by E1A and RAS V12G oncogenes, by increasing tumor penetrance and decreasing latency of tumor formation. These results confirm that these factors have distinct cellular signalling functions and suggest that they are regulated differentially on the molecular level. To further investigate the molecular mechanism, which could distinguish FOXK1 and FOXK2 cellular functions, we sought to study posttranslational modifications of these factors. Interestingly, our mass spectrometry data revealed that only FOXK1, but not FOXK2, is modified by O-GlcNAcylation, a protein posttranslational modification catalyzed by the enzyme OGT. Our in vitro data shows that this modification regulates FOXK1 function in cellular proliferation as the expression of the O-GlcNAc mutant reduces the proliferative potential of FOXK1. Our in-vivo data, using human cancer cell xenografts on mice, confirms that FOXK1 O-GlcNAcylation promotes tumor growth. More interestingly, FOXK1 O-GlcNAcylation mutants affect the oncogenic transformation of primary fibroblasts expressing E1A and RAS V12G by increasing tumor latency and decreasing tumor size. At the chromatin level, O-GlcNAcylation of FOXK1 promotes the recruitment of BAP1 to target genes of E2Fs factors in order to deubiquitinate H2AK119Ub and allow their expression. In conclusion, O-GlcNAcylation is a key mechanism that regulates the function of FOXK1 in cell proliferation, which contributes to its oncogenic activity. In another perspective of this study, and in order to investigate the importance of BAP1- FOXKs signaling axis in the tumor suppression function of BAP1, we sought to study the functional role of BAP1-FOXKs interaction in a murine model. We generated a mouse model using the CRISPR/Cas9 gene-editing system by mutating BAP1-threonine 492 into alanine and thus disrupting the interaction between FOXKs and BAP1. Heterozygous offspring of Bap1T492A/+ were crossed to generate homozygous litters to study their phenotypes. Interestingly, our results show that homozygous Bap1T492A/T492A mice are embryonic lethal. Moreover, a few homozygous Bap1T492A/T492A mice can escape the embryonic lethality (representing only 4.7% instead of 25%), are remarkably smaller, and some of them showed developmental abnormalities. Moreover, when analyzing the immune system of adult homozygous Bap1T492A/T492A mice, we found a significant reduction of NKT cells proportions, which could be central fighters against cancer cell development. Altogether, these data show that BAP1-FOXKs axis is important for development and provide novel insights into how signaling events between the tumor suppressor BAP1 and FOXKs should be tightly controlled to maintain normal cellular homeostasis and prevent cancer.