L’hématopoïèse est un processus complexe et extrêmement régulé qui permet la production de l’ensemble des cellules sanguines à partir de cellules souches. Différents acteurs interviennent dans cette régulation et une altération de l’un ou plusieurs de ces régulateurs est souvent à l’origine de leucémies. L’un des acteurs majeurs de cette régulation est le complexe Core Binding Factor (CBF), particulièrement touché dans ces hémopathies. Ce facteur de transcription se compose de la sous-unité CBFβ et d’une sous unité variable RUNX, (habituellement RUNX1 dans l’hématopoïèse). Dans la leucémie aiguë myéloïde 4 à composante éosinophile (LAM4 Eo), le gène CBFβ est retrouvé fusionné au gène MYH11, entraînant la formation d’un gène chimérique codant pour l’oncoprotéine de fusion CBFβ–SMMHC. Cette version altérée du complexe CBF a pour caractéristique de séquestrer RUNX1 dans le cytoplasme et de déréguler l’expression des gènes cible du complexe via diverses mécanismes. Elle est en effet capable d’inhiber l’expression génique par le recrutement d’inhibiteurs transcriptionnels mais a également récemment été décrite comme liée au promoteur de gènes actifs. Ces dérégulations entraînent une altération de la différenciation et/ou une apoptose chez différents progéniteurs hématopoïétiques via divers mécanismes particulièrement étudiés chez la souris. Chez l’homme, les processus oncogéniques par lesquels CBFβ–SMMHC altère la différenciation et induit la leucémogénèse restent cependant peu décrits. Au moyen de deux modèles humains : une lignée ME-1 inductible pour l’inhibition de l’expression de l’oncoprotéine et des blastes leucémiques de patients atteints de LAM4 Eo dérivés de xénogreffes murines, nous avons découvert un nouveau composant cellulaire dérégulé par CBFβ–SMMHC ainsi qu’un nouveau partenaire d’interaction. En effet, dans un premier temps, ce travail révèle que l’oncoprotéine a des effets complexes sur la biogenèse des ribosomes aux niveaux génomique et post-transcriptionnel. Nous avons montré que CBFβ–SMMHC fixe le promoteur des gènes ribosomiques et active leur transcription. Nous avons également observé un niveau d’expression de ces gènes, supérieur dans les LAM dites de type CBFβ–SMMHC comparées aux autres sous-groupes de LAM. Dans la lignée ME-1 cette activation de la transcription ne se traduit cependant pas par une augmentation du contenu cellulaire en ribosomes, expliqué en partie par une maturation du précurseur des ARN ribosomiques moins efficiente en présence de l’oncoprotéine. Dans un second temps nous avons observé que CBFβ–SMMHC interagit directement avec la protéine Polycomb RING1B et BMI1 sous-unité du complexe de répression des gènes PRC1. L’inhibition de CBFβ–SMMHC entraînant une augmentation du niveau de fixation globale de RING1B sur l’ensemble du génome. Nous pensons que de cette altération du niveau de fixation de RING1B induite par CBFβ–SMMHC, découle la dérégulation de nombreux gènes impliqués dans diverses voies ou mécanismes critiques de l’hématopoïèse. Nous avons ainsi mis en lumière deux nouveaux mécanismes oncogéniques médiés par l’oncoprotéine CBFβ–SMMHC ouvrant de nouveaux horizons pour de potentielles cibles thérapeutiques. / Haematopoiesis is a complex process allowing the production of all mature blood cells from stem cells. This process is highly regulated at the transcriptional level, and perturbation of normal transcriptional regulation may cause leukaemia. One of the major actors of this regulation is the Core Binding factor (CBF) complex, which is frequently subject to genetic alteration in leukaemia. This transcription factor consists of a constant CBFβ subunit and a variable RUNX subunit, usually RUNX1 in haematopoiesis. In acute myeloid leukemia 4 with eosinophilic component (AMLM4 Eo), the CBFβ gene is fused to the MYH11 gene, leading to the formation of a chimeric gene encoding the CBFβ–SMMHC oncoprotein. This altered version of the CBF complex sequesters RUNX1 into the cytoplasm, and deregulates wild type CBF target gene expression though diverse mechanisms. While CBFβ–SMMHC can inhibit gene expression by recruiting transcriptional inhibitors, it has also recently been described to bind and activate certain gene promoters. The mechanisms by which these deregulations lead to an alteration of the differentiation and/or an apoptosis of diverse hematopoietic progenitors is best characterised in murine models. In humans, the oncogenic processes by which CBFβ–SMMHC alters differentiation and induces leukaemogenesis remain unclear. Using two human cellular models, namely (i) an ME-1 cell line containing an inducible shRNA directed against the CBFβ- MYH11 fusion transcript and (ii) Patient-derived AML M4Eo murine xenografts, we describe two novel activities of CBFβ–SMMHC. Firstly, we discovered that the oncoprotein has complex effects on ribosome biogenesis at both the genomic and post-transcriptomic levels. We found that CBFβ–SMMHC binds ribosomal gene promoters and activates their transcription, which was corroborated by the observation of higher ribosomal gene expression in human AML M4Eo, compared with other AML subgroups. In the ME-1 cell line this transcriptional activation did not lead to the higher cellular ribosome content, which was explained in part by decreased efficiency of ribosomal RNA maturation in the presence of the oncoprotein. Secondly, we found that CBFβ–SMMHC interacts directly with RING1B and BMI1 protein subunit of the Polycomb gene repression complex PRC1. Depletion of CBFβ–SMMHC lead to increased global binding of RING1B to the genome, resulting in deregulation of numerous genes that are critical for normal haematopoietic differentiation. We have therefore highlighted two new oncogenic mechanisms mediated by the CBFβ–SMMHC oncoprotein, therefore opening new avenues to investigate potential therapeutic targets.

Globalement réprimés à la méiose (MSCI), les chromosomes sexuels sont partiellement réactivés dans les spermatides rondes avant l’arrêt général de la transcription dans les spermatozoïdes. Alors qu’il est clairement démontré que le MSCI est essentiel pour la poursuite de la spermatogenèse, la proportion de gènes réactivés ainsi que le mécanisme de régulation des chromosomes sexuels après la méiose demeurent un sujet de recherche et de débats. Chez la souris, la délétion du bras long du chromosome Y (MSYq) provoque la surexpression de plusieurs centaines de gènes, dont la majorité est portée par les chromosomes sexuels, associée à des modifications de la chromatine; ceci aboutit à la production de spermatozoïdes malformés et non-fécondants, présentant notamment une compaction anormale de leur chromatine. Sly est un des cinq gènes multicopies du MSYq et l’abolition de son expression chez la souris (souris Sly-KD) a récemment démontré qu’il est à la base de la dérégulation épigénétique des chromosomes sexuels et des problèmes de compaction de la chromatine des mâles MSYq-. De plus, les mâles avec délétion partielle de MSYq ainsi que les mâles Sly-KD produisent une descendance avec un excès de femelles, ce qui suggère l’existence d’un conflit intragénomique avec Slx, un gène multicopie homologue de Sly et porté par le chromosome X. Quel rôle pour SLY pendant la spermiogenèse ? Afin de répondre à cette question nous avons étudié les gènes cibles et les partenaires de SLY. Nous avons montré que SLY interagit avec TBL1XR1, membre inhérent au complexe répressif Ncor. De plus, localisée au niveau des promoteurs de gènes exprimés dans les spermatides et liés aux chromosomes sexuels et autosomaux, SLY contrôle des gènes impliqués dans la régulation génique et chromatinienne (e.g, variants H2A et DOT1L). Nous avons également détecté une baisse significative de la marque H3K79me2 accompagnée d’une rétention anormale des histones dans les spermatozoïdes des souris Sly-KD et proposons que DOT1L, la seule H3K79 méthyltransférase identifiée à ce jour, est essentielle au remodelage de la chromatine. Quels sont les mécanismes moléculaires du conflit intragénomique entre SLY et SLX ? Des expériences de co-immunoprécipitations ont démontré que SSTY, codée comme SLY par un gène multicopies du MSYq, interagit préférentiellement avec SLX in vivo. En outre, SLX et SLY sont capables toutes deux d’interagir avec SPIN1, homologue de SSTY et capable de se lier à H3K4me3. Ces différentes interactions entre SLX/SLY et SPIN1/SSTY pourraient participer au conflit intragénomique. Par la réévaluation de plusieurs jeux de données (RNA-Seq et ChIP-Seq) nous avons démontré que la répression des chromosomes sexuels ne persiste pas au-delà de la méiose et que le conflit intragénomique entre SLY et SLX représente une pression de sélection considérable, en partie responsable du paysage épigénétique spécifique des chromosomes sexuels et de leur enrichissement en gènes multicopies exprimés après la méiose. En conclusion, nos travaux ont permis de caractériser le mode d’action de SLX/SLY et d’identifier de nouveaux facteurs impliqués dans la régulation (épi)génétique pendant la spermiogenèse qui sont conservés chez l’homme. / Sex chromosomes in mammals are globally repressed during meiosis (MSCI ) and then partially reactivated in round spermatids prior to the transcriptional activity shut down occurring in spermatozoa. Whereas the MSCI is essential for spermatogenesis, the proportion of reactivated genes and the underlying mechanisms of the sex chromosomes regulation after meiosis is still a conundrum. In mice, deletions of the long arm of the Y chromosome (MSYq-) are responsible for the overexpression of more than hundred sex chromosome genes associated with epigenetic modifications that leads to impaired sperm functions and abnormal chromatin compaction. Sly is one of the five multicopy genes present on MSYq and Sly deficiency (Sly-KD) has recently been showed to be at the basis of the gene deregulation and sperm defects obrserved in MSYq- mice. Additionally, partially deleted MSYq males and Sly-KD mice produce offspring with a sex ratio distortion in favor of females; these observations suggest a postmeiotic intragenomic conflict involving Sly and its homolog Slx, an X-linked multicopy gene. What role for SLY during spermiogenesis? In order to decipher SLY mechanisms of action, we sought to study SLY target genes and partners. We showed that SLY interacts with TBL1XR1, an inherent member of the repressive Ncor complex. Meanwhile, we found that SLY is enriched at the promoter of spermatid expressed genes encoded both by sex chromosomes and autosomes. Additionally, SLY controls genes involved in genetic and chromatin regulation (e.g, H2A variants and DOT1L). We also observed a significant reduction of H3K79me2 levels associated with abnormal histone retention in Sly-KD spermatozoa. We propose that DOT1L, the principal H3K79 methyltransferase identified to date, is essential for chromatin remodeling in spermatids. What are the molecular mechanisms involved in the ongoing intragenomic conflict between SLY and SLX? We showed by co-immunoprecipitation that SSTY, another Y-linked multicopy gene, preferentially interacts with SLX in vivo. Furthermore, both SLX and SLY interact with SPIN1, a homolog of SSTY which is able to recognize H3K4me3. The interactions between SLX/SLY and SPIN1/SSTY could be part of the intragenomic conflict. By re-evaluating several RNA-Seq and ChIP-Seq datasets we demonstrated that MSCI does not persist beyond meiosis. We proposed that the intragenomic conflict between SLY and SLX constitutes a considerable selection pressure, partly responsible for the specific epigenetic landscape of sex chromosomes and their enrichment in multicopy genes expressed after meiosis. In conclusion, our work allowed a better understanding of the mode of action of SLX/SLY and the identification of new factors involved in the (epi)genetic regulation during spermiogenesis that are conserved in humans.

Les ARNnc sont impliqués dans la régulation de l’expression de gènes chez les Procaryotes, les Archées et les Eucaryotes. Cette régulation peut être effectuée au niveau transcriptionnel ou post-transcriptionnel. Elle fait parfois intervenir des modifications des histones comme la méthylation ou l’acétylation. J’ai étudié le gène TIR1 dont l’expression est fortement réduite lorsqu’un ARNnc codant antisens nommé TIR1axut est stabilisé. J’ai montré que cette régulation est dépendante de l’histone déacétylase Hda1. De plus, j’ai montré que l’acétylation de H3K14 et H3K18 ne sont pas directement impliquées dans la régulation de TIR1 mais qu’un résidu polaire est nécessaire pour la répression de TIR1 en présence de l’ARNnc antisens. En outre, j’ai mis en évidence que la répression de TIR1 par son XUT est en parti post-transcriptionnel, mais ne fait pas varier la stabilité de l’ARNm. Finalement, j’ai tenté en vain de comprendre le ciblage de l’activité histone déacétylase de Hda1 le long de TIR1 en cherchant la présence d’hybride ARN/ADN grâce à un anticorps reconnaissant ce type de structure. / NcRNAs are involved in gene regulation in Prokaryotes, Eukaryotes and Archaea. This regulation could be transcriptional or post-transcriptional. Histone modifications could be involved such as methylation or acetylation. I studied TIR1 gene whose expression is highly reduced when an antisense ncRNA called TIR1axut is stabilized. I showed that this regulation is Hda1-dependant. In addition to that, I showed that H3K14ac and H3K18ac are not directly responsible for TIR1 repression but a polar residue is required for a proper silencing of TIR1 in a XUT depending manner. Moreover, I showed that TIR1 repression is due to a post-transcriptional effect but does not affect mRNA stability. Finally, I tried in vain to understand Hda1 targeting on TIR1 searching for RNA/DNA hybrids using an antibody that recognizes such structures.

Les éléments transposables (ET) et leur reliques sont des composants majeurs des génomes eucaryotes. Ils sont potentiellement hautement mutagéniques car leur prolifération peut engendrer des réarrangements chromosomiques, des interruptions de gènes ou affecter l’expression génique par interférence transcriptionnelle. Néanmoins, peu d’ET sont généralement mobiles dans les génomes grâce à l’action de mécanismes qui restreignent leur activité comme la méthylation de l’ADN chez les mammifères et les plantes. De fait, chez Arabidopsis thaliana, une perte sévère de méthylation de l’ADN causée par une mutation dans le gène codant la protéine remodeleuse de chromatine DDM1 (DECREASE IN DNA METHYLATION 1) engendre l’accumulation massive de transcrits correspondants à des séquences d’ET. En revanche, peu d’ET semblent être mobilisés suite à cette réactivation transcriptionnelle. Nous proposons ici de déterminer (1) l’étendue de la mobilisation des ET suite à la perte de méthylation de l’ADN, (2) la distribution des nouvelles insertions d’ET le long du génome d’Arabidopsis et (3) les conséquences des nouvelles insertions d’ET sur l’expression des gènes situés à proximité. Dans ce but, nous avons séquencé le génome d’une cinquantaine d’epiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) dérivées d’un croisement entre une plante sauvage et un mutant ddm1. Suite au croisement retour de la F1 avec une plante sauvage et sélection des individus F2 homozygotes pour l’allèle sauvage DDM1, les epiRIL ont été propagées au travers de 6 autofécondations successives. Les epiRIL permettent donc l’étude détaillée des évènements de transpositions juste après qu’ils aient eu lieu. Pour identifier les évènements de transpositions dans ces lignées nous avons mis au point TE-tracker, un programme basé sur les données issues du séquençage Illumina de banques maite-pair. Par cette approche, nous avons montré que les ET mobiles dans ddm1 et les epiRIL appartiennent à seulement une quinzaine environ des >300 familles identifiées dans le génome d’Arabidopsis. Qui plus est, on observe des variations importantes de fréquences et dynamiques de transpositions entre les différentes familles d’ET ce qui suggère l’existence de mécanismes additionnels contrôlant la transposition. Les analyses moléculaires réalisées sur un sous-ensemble des ET mobilisés appartenant à différentes familles ont notamment montré que ces différences sont dues en grande partie aux différentes modalités d’établissement du contrôle épigénétique sur les ET nouvellement insérés. D’autre part, nos analyses indiquent que la distribution des nouvelles insertions d’ET diffère grandement de celle des copies résidentes. Ce résultat suggère donc que la suraccumulation des séquences d’ET dans les régions péricentromériques du génome d’Arabidopsis n’est pas due à un ciblage spécifique des insertions dans ces régions, mais est plutôt la conséquence de leur élimination des bras chromosomiques. Enfin, nous avons cherché à déterminer dans quelle mesure la méthylation de l’ADN associée aux séquences répétées a un impact sur l’expression des gènes situés à proximité en étudiant des mutants affectés dans les différentes voies de la méthylation de l’ADN. Par des analyses phénotypiques et moléculaires nous avons montré que, même si la plupart des gènes d’Arabidopsis n’est pas affectée par l’état de méthylation des séquences répétées situées à proximité, deux voies de la méthylation de l’ADN agissent ensemble pour maintenir l’expression normale d’un petit nombre de gènes ayant des effets pléiotropes situés proximité de séquences répétées. La méthylation de l’ADN agit donc comme un double système de contrôle pour assurer l’expression normale d’un petit nombre de gènes clefs localisés a proximité de séquences répétées. / Transposable elements (TEs) and their relics are major components of eukaryotic genomes. TEs are potentially highly mutagenic as their proliferation can cause chromosomal rearrangements, disrupt genes or affect gene expression through transcriptional interference. However, few TEs are usually mobile within genomes at any one time thanks to potent mechanisms that restrain their activity, such as DNA methylation in mammals and plants. Thus, in the flowering plant Arabidopsis, severe loss of DNA methylation caused by mutations in the chromatin remodeler gene DDM1 triggers massive accumulation of transcripts corresponding to TEs. Yet, comparatively few TEs appear to be mobilized as a result. Here, we set out to determine (1) the extent to which DNA methylation prevents TE mobilization, (2) where do TEs insert following their reactivation and (3) what are the consequences of new TE insertions on the expression of neighboring genes. To this ends, we have sequenced the genome of over 50 epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) that were derived from a cross between a wild type and an isogenic ddm1 mutant line. After backcrossing of the F1 and selection of the progeny homozygous for wild-type DDM1, the epiRILs were propagated through six rounds of selfing. The epiRILs therefore permit a detailed assessment of transposition events soon after they have occurred. In order to identify TE mobilization in the epiRILs we developed TE-tracker, a pipeline based on Illumina sequencing of mate pairs libraries. Using this approach, we could show that although both retroelements and DNA transposons are mobilized in ddm1 and the epiRILs, mobile TEs belong to only a dozen or so of the >300 TE families identified in the Arabidopsis genome. Furthermore the rate and dynamics of transposition vary dramatically between TE families, suggesting the existence of additional mechanisms controlling transposition. Molecular analysis performed on a subset of those mobile TEs belonging to distinct families show that these differences are greatly due to different modality of establishment of epigenetic control over newly inserted TEs. In addition, our analysis indicates that the distribution of new TE insertions differs dramatically from the one of resident copies. These findings provide compelling evidence that over accumulation of TE sequences in the pericentromeric regions of the Arabidopsis genome is not due to specific targeting of TEs, but rather to their elimination from chromosome arms. Finally, we assessed the extent to which repeat-associated DNA methylation impacts the expression of neighboring genes by studying mutants affected in different methylation pathways. Phenotypic and molecular analyses reveal that, even though most Arabidopsis genes are not detectably sensitive to the methylation status of neighboring repeats, two DNA methylation pathways act together to maintain the normal expression of only a very small number of genes near repeats and that these genes tend to have pleiotropic effects. Then, DNA methylation acts as a double-lock system to ensure the normal expression of a small number of key genes located near repeats.

La régulation de la télomérase s’effectue à de nombreux niveaux dont la transcription de la sous-Unité catalytique (hTERT). Les travaux du laboratoire effectués sur les cellules NB4, modèle de Leucémie Aiguë Promyélocytaire (LAP), ont montré que l'acide rétinoïque tout-Trans (ATRA) réprime la transcription de hTERT. Cette répression peut être associée à la différenciation (cas des cellules NB4) ou en être dissociée conduisant à la mort des cellules (cas des cellules NB4-LR1 résistantes à la maturation induite par l’ATRA). A partir de la lignée NB4-LR1 a été sélectionnée la lignée NB4-LR1SFD résistante à cette mort cellulaire du fait de la ré-Expression de hTERT même en présence d’ATRA. Cependant cette résistance à la répression de hTERT peut être levée par le co-Traitement ATRA et trioxide d’Arsenic (As2O3) qui conduit à la mort des cellules. Il s'agit donc d'une propriété nouvelle de cette lignée dont le mécanisme reste à élucider.Les résultats obtenus par le laboratoire suggèrent l'importance du statut de méthylation de l’ADN du promoteur de hTERT jusque là peu explorée qui pourrait rendre compte de la résistance à la répression de hTERT. Mon projet a pour objectif de valider cette hypothèse en tirant profit de la diversité des réponses biologiques (différenciation, prolifération, mort cellulaire et expression de hTERT) des variants cellulaires du modèle NB4. Une coopération entre le statut épigénétique (méthylation de l’ADN et modification des histones) du promoteur de hTERT et la fixation de facteurs activateurs et/ou répresseurs sera étudiée. Le statut de méthylation du promoteur de hTERT sur une région allant de -2500pb à +1000pb par rapport au site d’initiation de la transcription a été étudié par la technique de séquençage (Illumina) après traitement des cellules NB4-LR1SFD par l’ATRA seul ou en combinaison avec As2O3. Le résultat obtenu à ce jour montre une hypométhylation d’une région limitée du domaine distal (de -1300pb à -800pb) du promoteur de hTERT associée à la répression de hTERT dans les cellules traitées par la combinaison ATRA+ As2O3 par rapport aux traitements seuls par ATRA ou As2O3. Ceci renforce l’importance du statut de méthylation de cette région du promoteur dans la régulation de l’expression de hTERT. Ce co-Traitement induit également une diminution de l’expression protéique de cMyc et WT1, et aussi de l’ADN methyltransférase 1 (DNMT1) suggérant un rôle de cette enzyme dans le maintien de la méthylation de cette région du promoteur de hTERT. Dans le but d’évaluer le rôle de c-Myc dans la régulation de hTERT, nous avons montré qu’un analogue de l’AMPc, le 8-CPT-CAMP, induisait une dégradation (en partie protéasome dépendant) de la protéine c-Myc dès 6h de traitement dans la lignée résistante NB4-LR1SFD et non la lignée parentale NB4. La lignée NB4-LR1SFD est caractérisée par un déficit en sous unité régulatrice PKA RII. Spécifique knock-Down de PKA RII et l’utilisation d’agonistes et d’antagonistes spécifiques de PKAI a montré : 1) PKAI et PKAII ont des rôles différents sur la stabilité de la protéine c-Myc; 2) le rapport PKAI/PKAII déterminait la stabilité de c-Myc suite à l’activation de la signalisation PKA. Ces résultats suggèrent un rôle possible de PKA comme régulatrice de expression de hTERT via son implication dans le maintien de la stabilité de la protéine c-Myc. / The regulation of telomerase occurs at various levels, including the transcriptional regulation of hTERT. Previous results in our laboratory from acute promyolocytic leukemia cell model NB4, have shown that all-Trans retinoid acid (ATRA) repress the transcription of hTERT. This repression can be associated with differentiation (in the case of NB4 cells), or be dissociated with differentiation and triggers cellular death (the case of maturation resistant NB4-LR1 cells). Another variant NB4-LR1SFD cells were isolated from NB4-LR1 cells with continuous presence of ATRA and were resistant to the cellular death induced by ATRA. In fact, this resistance is related to the re-Expression of hTERT in presence of ATRA. However, this resistance can be overcome by combination of ATRA and AS2O3 and triggers cellular death.The results obtained in our laboratory suggested the importance of the DNA methylation status in the promoter region of hTERT and could be the one mechanism of the resistance to the repression of hTERT induced by ATRA. My project is by taking the diversity of biological response of the NB4 cells variants to validate the hypothesis. And the cooperation between epigenetic modifications and the binding of transcriptional factors will be equally studied.The DNA methylation status in the promoter region of hTERT from -2500bp to +1000bp has been analyzed with the sequencing technique (illumina) in NB4-LR1SFD treated by ATRA alone or in combination with AS2O3. The results showed a distal hypomethylated region from -1300bp to -800bp associated with the repression of hTERT by the co-Treatment of ATRA and AS2O3 compared with the treatment by ATRA or AS2O3 alone. This result strengthens the importance of methylation status in this region in the regulation of hTERT. The co-Treatment induces also a diminution in protein expression of cMyc, WT1 and DNA methyltransferase 1 (DNMT 1), suggesting this enzyme may play a role in the maintenance of methylation level in this region.In order to evaluate the role of cMyc in the regulation of hTERT, we have shown that an analog de cAMP, 8-CPT-CAMP, induces degradation (partly proteasome-Dependent) of c-Myc protein since 6h in NB4-LR1SFD cells but not in NB4 cells. NB4-LR1SFD cells are characterized by a defect of the PKA regulatory subunit II. Specific knockdown of PKA RII and utilizations of agonists and antagonists of PKA I have shown that: 1) PKA I and PKA II have distinct functional roles on the steady-State of c-Myc protein. 2) The ratio of PKA I/PKA II determines the stability of c-Myc protein with the activation of PKA signalization. These results suggest a possible role of PKA in the regulation of hTERT expression through its modulation on the stability of c-Myc.

L'épigénétique est un composant essentiel du fonctionnement des génomes eucaryotes. Les divers phénomènes épigénétiques modifient l’état chromatinien et participent à la plasticité du génome, mais aussi au maintien de son identité fonctionnelle à travers les générations cellulaires. Parmi ces processus, la méthylation de l’ADN joue un rôle fondamental dans la régulation de l’expression des gènes.Chez les mammifères, la méthylation de l'ADN est associée à la répression transcriptionnelle, et elle remplit au moins trois fonctions essentielles. Premièrement, elle permet de réprimer les séquences répétées afin de préserver l’intégrité du génome. Deuxièmement, la méthylation contrôle l’expression des gènes soumis à l’empreinte parentale, qui sont des régulateurs cruciaux du développement et de la vie adulte. Enfin, la méthylation permet de réprimer certains gènes tissu-spécifiques dans les organes où ils doivent être silencieux. En plus de ces rôles physiologiques, la méthylation est liée au cancer. En effet, des patrons de méthylation anormaux sont fréquemment observés dans les cellules tumorales, et ces anomalies participent à la transformation cellulaire par plusieurs mécanismes.La méthylation exerce ces effets par l'intermédiaire de protéines dédiées, qui reconnaissent spécifiquement l'ADN méthylé et contrôlent la transcription en modulant la chromatine. Trois familles de protéines liant l'ADN méthylé sont connues chez les mammifères, et elles totalisent entre elles neuf membres. De nombreux arguments suggèrent que cette liste est encore incomplète, et que des protéines humaines liant l'ADN méthylé restent à découvrir. Dans cette optique, nous avons opté pour deux types d’approches distinctes, une approche basée sur la littérature et une approche génétique. L’étude des protéines candidates ne nous a pas permis d’identifier de nouvelles protéines liant l’ADN méthylé et l’approche génétique par phage display a révélé deux protéines intéressantes, CHD3 et HMGB1 qui doivent désormais être validées par des approches in vivo et in vitro.Par ailleurs, nous avons entrepris l’étude de la régulation des éléments répétés par la protéine Zbtb4 chez la souris. Les expériences préliminaires indiquent une possible régulation des satellites mineurs par Zbtb4. Le rôle de cette régulation sera, par la suite, approfondi. / Epigenetic phenomena are key contributors to the function of eukaryotic genomes. These processes act on chromatin, and they are used to render the genome dynamic, but also stable throughout successive rounds of cell division. Among epigenetic processes, DNA methylation is especially well known for its role in the regulation of gene expression.In mammals, DNA methylation is strongly correlated with transcriptional repression, and fulfills at least three essential roles. First, it maintains repeated sequences transcriptionally silenced, thus ensuring the stability of the genome. Second, it is responsible for the proper regulation of parentally imprinted genes, which are crucial regulators of embryonic development and adult life. Finally, DNA methylation ensures that some tissue-specific genes are kept inactive in the organs in which they should be repressed. Besides these roles in the physiology of normal cells, DNA methylation has strong links to cancer. Indeed the pattern of DNA methylation on the genome is frequently altered in cancer cells, and these anomalies contribute to transformation by several mechanisms.DNA methylation does not control transcription directly, but instead acts via a set of dedicated proteins that specifically recognize methylated DNA and repress transcription by acting at the chromatin level. At present, three families of such proteins, totalling 9 members altogether, are known in humans. However, several lines of evidence suggest that the list is not exhaustive, and that other human proteins that bind methylated DNA remain to be found. This was the goal of the current project.To this end, we opted for two distinct types approaches, an approach based on literature and a genetic approach. The study of candidate proteins does not allow us to identify new methylated DNA binding proteins and the genetic approach by phage display revealed two proteins of interest, HMGB1 and CHD3 that must now be validated by in vivo and in vitro approaches.Furthermore, we studied the regulation of DNA repeats by Zbtb4 in mice. Preliminary results show a regulation of minor satellites by Zbtb4. The role of this regulation will be analyse further in the future.

Mon travail a été d'étudier le rôle de l'expression de FZD9, un récepteur Wnt, dans l'hématopoïèse normale et maligne. Frizzled 9 (FZD9) est un composant clé de la voie de signalisation Wnt, une voie connue pour jouer un rôle important dans l'hématopoïèse normale et maligne. La méthylation d'un site CpG proximal de site d'initiation de la transcription du gène FZD9 est un facteur de mauvais pronostic dans les LAMs et sa déméthylation est un facteur prédictif de réponse aux thérapies épigénétiques. Sa fonction dans l'hématopoïèse n'est cependant pas connue. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que le promoteur du gène FZD9 est dans un état non-permissif dans les cellules leucémiques. L'induction de la différenciation des cellules leucémiques restaure l'état permissif du promoteur, le recrutement du facteur E2F et de l'histone H3 acétyle permettant l'expression de FZD9. L'expression de FZD9 expression est également retrouvée au cours de la différenciation myéloïde d'une lignée IPS Dans les cellules de la lignée THP1 différenciées en monocytes, FZD9 est retrouvé dans un complexe comprenant LRP5/6 et Wnt5a. L'incubation des cellules différenciées par Wnt5a, un ligand de FZD9, déclenche la diminution de l'expression de -caténine et sa localisation nucléaire ainsi que l'expression des gènes cibles de la voie Wnt canonique (c-myc, Cyclin Dl and CD44). Nous n'avons détecté aucune augmentation des taux intracellulaires de calcium. Ces travaux suggèrent que la méthylation du promoteur de FZD9 dans les LAMs pourrait participer à la leucémogénèse en maintenant la voie b-caténine active / My goal was to study the importance of the expression of the FZD9, a Wnt receptor, in both normal and malignant hematopoiesis. Frizzled 9 (FZD9) is a key component of the Wnt signaling pathway, a pathway which has been shown to play a role in both normal and malignant hematopoiesis. Methylation of the CpG proximal to the transcription start site of the FZD9 gene is recognized as a prognostic factor in AML and its demethylation is a predictive factor for response to epigenetic therapy. Its function in hematopoiesis is however not known. The results show that the FZD9 promoter is in a non-permissive state in leukemic cells. Induction of myeloid differentiation in human myeloid leukemic cell fines restores FZD9 promoter permissiveness with recruitment of E2F and acetylated histone H3 and upregulation of FZD9 mRNA expression. FZD9 expression was progressively increased through the stages of myeloid differentiation in an IPS cell line. In differentiated monocytic THP1 cells, FZD9 was found in the LRPS/6 Wnt receptor complex. Incubation of differentiated cells with Wnt5a, a ligand of FZD9, triggered the decreased expression of - catenin and its nuclear localisation and the canonical Wnt-target genes (c-myc, Cyclin D1 and CD44). We detected no increase in calcium intracellular levels and thus activation of classical non-canonical pathway was not noted upon WntSa incubation. The results of my PhD suggest that the reported methylation of FZD9 promoter in AML and HR-MDS patients may participate in leukemogenesis by the maintenance of an activated Wnt canonical pathway.

Les ARNs long non codants (ARNlnc) jouent un rôle clé dans les processus cellulaires vitaux, notamment le remodelage de la chromatine, la réparation de l'ADN et la traduction. Cependant, la taille et la complexité des ARNlnc présentent des défis sans précédent pour les études moléculaires mécanistiques, de sorte qu'il s'est avéré difficile jusqu'à présent de relier l'information structurelle à la fonction biologique pour les ARNlnc.Le gène 3 humain exprimé maternellement (de l’anglais "maternally expressed gene 3", MEG3), est un ARNlnc abondant, soumis à empreinte parentale et épissé alternativement. Pendant l'embryogenèse, MEG3 contrôle les protéines Polycomb, régulant la différenciation cellulaire, et dans les cellules adultes, MEG3 contrôle p53, régulant la réponse cellulaire aux stress environnementaux. Dans les cellules cancéreuses, MEG3 est régulé négativement, mais la surexpression ectopique de MEG3 réduit la prolifération incontrôlée, ce qui prouve que MEG3 agit comme un suppresseur de tumeur. Les données suggèrent que les fonctions de MEG3 pourraient être régulées par la structure de MEG3. Par exemple, on pense que MEG3 se lie directement aux protéines p53 et Polycomb. De plus, les différents variants d'épissage de MEG3, qui comprennent différents exons et possèdent ainsi des structures potentiellement différentes, présentent des fonctions différentes. Enfin, la mutagenèse par délétion, basée sur une structure de MEG3 prédit in silico, a permis d’identifier un motif MEG3 supposé structuré impliqué dans l'activation de p53. Cependant, au début de mes travaux, la structure expérimentale de MEG3 était inconnue.Pour comprendre la structure et la fonction de MEG3, j'ai utilisé des sondes chimiques in vitro et in vivo pour déterminer la structure secondaire de deux variants humains de MEG3 qui diffèrent par leurs niveaux d'activation de p53. À l'aide d'essais fonctionnels dans les cellules et de mutagenèse, j'ai systématiquement analysé la structure de MEG3 et identifié le noyau activant p53 dans deux domaines (D2 et D3) qui sont conservés structuralement dans les variants humains et conservés dans l’évolution chez les mammifères. Dans D2-D3, les régions structurales les plus importantes sont les hélices H11 et H27, car dans ces régions, j’ai pu supprimer l'activation de p53 grâce à des mutations ponctuelles, un degré de précision jamais atteint pour les autres ARNlnc jusqu’ici. J'ai découvert de manière surprenante que H11 et H27 sont reliés par des boucles connectées l’une à l’autre (de l’anglais "kissing loops") et j'ai confirmé l'importance fonctionnelle de ces interactions de structure tertiaire à longue distance par mutagenèse compensatoire. Allant au-delà de l’état de l’art, j'ai donc essayé de visualiser la structure 3D d’une isoforme de MEG3 longue de 1595 nucléotides, par diffusion de rayons X à petit angle (SAXS), microscopie électronique (EM) et microscopie à force atomique (AFM). Alors que le SAXS et l’EM sont limités par des défis techniques actuellement insurmontables, l’imagerie par AFM m’a permis d’obtenir la première structure 3D à basse résolution de MEG3 et de révéler son échafaudage tertiaire compact et globulaire. Plus remarquable encore, les mêmes mutations qui perturbent la connexion entre les «boucles» H11-H27 et qui inhibent la fonction de MEG3, perturbent aussi la structure 3D de cet ARNlnc, fournissant ainsi le premier lien direct entre la structure 3D et la fonction biologique pour un ARNlnc.Sur la base de mes découvertes, je peux donc proposer un mécanisme de l’activation de p53 basé sur la structure de MEG3, avec des implications importantes pour la compréhension de la cancérogenèse. Plus généralement, mes travaux prouvent que les relations structure-fonction des ARNlnc peuvent être disséquées avec une grande précision et ouvrent la voie à des études analogues visant à obtenir des informations mécanistes pour de nombreux autres ARNlnc d’importance médicale. / Long non-coding RNAs (lncRNAs) are key players in vital cellular processes, including chromatin remodelling, DNA repair and translation. However, the size and complexity of lncRNAs present unprecedented challenges for mechanistic molecular studies, so that connecting structural information with biological function for lncRNAs has proven difficult so far.Human maternally expressed gene 3 (MEG3) is an abundant, imprinted, alternatively-spliced lncRNA. During embryogenesis MEG3 controls Polycomb proteins, regulating cell differentiation, and in adult cells MEG3 controls p53, regulating the cellular response to environmental stresses. In cancerous cells, MEG3 is downregulated, but ectopic overexpression of MEG3 reduces uncontrolled proliferation, proving that MEG3 acts as a tumour suppressor. Evidence suggests that MEG3 functions may be regulated by the MEG3 structure. For instance, MEG3 is thought to bind p53 and Polycomb proteins directly. Moreover, different MEG3 splice variants, which comprise different exons and thus possess potentially different structures, display different functions. Finally, deletion mutagenesis based on a MEG3 structure predicted in silico identified a putatively-structured MEG3 motif involved in p53 activation. However, at the beginning of my work, the experimental structure of MEG3 was unknown.To understand the MEG3 structure and function, I used chemical probing in vitro and in vivo to determine the secondary structure maps of two human MEG3 variants that differ in their p53 activation levels. Using functional assays in cells and mutagenesis, I systematically scanned the MEG3 structure and identified the p53-activating core in two domains (D2 and D3) that are structurally conserved across human variants and evolutionarily conserved across mammals. In D2-D3, the most important structural regions are helices H11 and H27, because in these regions I could tune p53 activation even by point mutations, a degree of precision never achieved for any other lncRNA to date. I surprisingly discovered that H11 and H27 are connected by “kissing loops”, and I confirmed the functional importance of these long-range tertiary structure interactions by compensatory mutagenesis. Going beyond state-of-the-art, I thus attempted to visualize the 3D structure of a 1595-nucleotide long MEG3 isoform by small angle X-ray scattering (SAXS), electron microscopy (EM), and atomic force microscopy (AFM). While SAXS and EM are limited by currently-insurmountable technical challenges, single particle imaging by AFM allowed me to obtain the first low resolution 3D structure of MEG3 and reveal its compact, globular tertiary scaffold. Most remarkably, functionally-disrupting mutations that break the H11-H27 “kissing loops” disrupt such MEG3 scaffold, providing the first direct connection between 3D structure and biological function for an lncRNA.Based on my discoveries, I can therefore propose a structure-based mechanism for p53 activation by human MEG3, with important implications in understanding carcinogenesis. More broadly, my work serves as proof-of-concept that lncRNA structure-function relationships can be dissected with high precision and opens the field to analogous studies aimed to gain mechanistic insights into many other medically-relevant lncRNAs.

La méiose est une étape de la différenciation germinale qui permet la formation des gamètes. Elle est composée de deux divisions successives. La ségrégation des chromosomes homologues à la première division nécessite des connexions entre homologues, mises en place par des événements de crossing-over (CO). Les CO augmentent également la diversité génétique, et leur fréquence et leur distribution sont étroitement régulées. Ils sont générés par un mécanisme de formation et réparation de cassures double brins de l'ADN (CDBs), catalysées par la protéine SPO11 et préférentiellement localisées dans des régions de 1-2 kb appelées points chauds de recombinaison méiotique. Une question majeure est de comprendre comment sont régulés ces CO, ce qui détermine leur fréquence et leur distribution, car toute altération de cette régulation peut conduire à des anomalies chromosomiques graves.Dans ce travail de thèse, pour la première fois chez les mammifères, nous avons montré que des modifications de la chromatine sont associées à l'initiation de la recombinaison méiotique (formation des CDBs par SPO11). Ces résultats ont été obtenus par des analyses d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP) sur des spermatocytes purifiés ou non, isolés de différentes lignées de souris. Une des modifications associées à l'activité de deux points chauds testés est la triméthylation de la lysine 4 de l'histone H3 (H3K4Me3). Une analyse fonctionnelle et temporelle de cette modification a permis de montrer qu'elle ne dépend pas de SPO11 et apparaît avant la formation de CDBs. Nous avons montré ici que c'est la protéine PRDM9, récemment identifiée comme un déterminant majeur des points chauds de recombinaison chez les mammifères et possédant une activité méthyltransférase, qui appose H3K4Me3. Nous proposons un modèle où H3K4Me3 et d'autres caractéristiques inconnues constitueraient un substrat pour la machinerie d'initiation et recruteraient SPO11 en des points précis du génome, qui deviendront des points chauds. / Meiosis is a specialized cell division to produce haploid gametes from a diploid cell. It segregates parental genomes by two successive divisions. The faithful segregation of homologous chromosomes is achieved during the first unique division via formation of crossovers (COs). COs establish physical connections between homologs by the reciprocal exchange of genetic material and require the formation and subsequent repair of SPO11-dependent DNA double-strand breaks (DSBs). Studies in many organisms revealed that COs are distributed in highly localized regions (1-2Kb) of genomes called recombination hotspots. The mechanisms of COs regulation are elusive and a main question in the field is to understand how the frequency and distribution of CO are regulated, because either absence or defects of recombination can lead to aneuploidy or reduced fertility. In the present study, for the very first time in mammals, we investigate whether recombination hotspots are associated with any chromatin modifications. We performed chromatin immunoprecipitation (ChIP) on spermatocytes isolated from different mice strains harbouring either active or inactive hotspots. Comparison of hot and cold spots revealed that a specific histone modification i.e. trimethylation of the lysine 4 of histone H3 (H3K4Me3) is enriched at two tested hotspots in mice. Temporal and functional analysis show that H3K4Me3 is not dependent on SPO11 and appears before DSBs formation. Furthermore, we demonstrate here that H3K4Me3 is methylated via the histone methyltransferase activity of PRDM9, recently identified as a major determinant of recombination hotspots in mammals. We propose a model that H3K4Me3 and other unknown chromatin features may specify recruitment of SPO11 initiation machinery to initiate meiotic recombination at the hotspots.

La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'expression des gènes est un enjeu majeur pour la recherche médicale. Elle nécessite un ensemble d'approches pangénomiques telles que les puces à ADN et plus récemment le séquençage à très haut débit qui génèrent une masse toujours plus grande de données numériques à traiter. Au cours de ma thèse, j'ai développé plusieurs outils informatiques innovants pour faciliter leur exploitation. Ainsi, j'ai créé une librairie R (AgiND) qui vérifie la qualité des données de puces à ADN Agilent et permet de les normaliser. Le nombre croissant d'expériences stockées dans Gene Expression Omnibus a motivé la mise en place du projet TBrowser. Une méthode originale DBF-MCL a été créée pour extraire des signatures transcriptionnelles annotées par l'intégration de diverses sources d'information. Stockées dans une base de données, elles sont accessibles à travers une interface Java, un service web SOAP et une librairie R/Bioconductor (RTools4TB). Enfin, un pipeline d'analyse dédié au ChIP-seq a été implémenté. Tous ces outils ont servi pour l'étude de diverses maladies dans le cadre de collaborations. / Understanding the mechanisms that control gene expression is a major challenge for medical research. This requires using a large set of pangenomic approaches such as those using DNA microarrays and high-throughput sequencing that generate an ever growing mass of digital data. During my thesis, I have developed several computer-based tools to facilitate their processing and analysis. I have created a R library (AgiND) that controls the quality of Agilent DNA microarray data and allows their statistical normalization. The growing number of experiences stored in Gene Expression Omnibus has motivated the development of the TBrowser project. An original method, DBF-MCL, was created to extract annotated transcriptional signatures by integrating various sources of information. Stored in a database, these signatures are accessible using a Java interface, a SOAP web service and a R/Bioconductor library (RTools4TB). Finally, a pipeline dedicated to the ChIP-seq analyses has been implemented. All these tools were used to study various diseases in collaborations.