Le cancer colorectal représente la deuxième cause de mortalité par cancer en France. Dans l’intestin, l’initiation et la progression tumorale sont corrélées à l’accumulation séquentielle de mutations génétiques et épigénétiques au niveau du compartiment de renouvellement de l’épithélium. Ces altérations ont pour conséquence une croissance incontrôlée de l’épithélium et, à terme, la formation de lésions cancéreuses. En tenant compte du nombre croissant de cas de cancers colorectaux, la découverte de facteurs de prédisposition de cette pathologie reste d’un intérêt majeur. Les données de séquençage du génome humain ne suffisant pas à expliquer la prévalence de la maladie à l’échelle de la population, nous nous intéressons aux mécanismes permettant le contrôle de l’expression de certains gènes : les mécanismes épigénétiques. Dans notre équipe nous disposons de modèles animaux génétiquement modifiés nous permettant d’étudier, dans des conditions proches de la pathologie humaine, les phases précoces de l’initiation tumorale. Ces souris, bien que génétiquement identiques, développeront pourtant un nombre de tumeurs intestinales très variable. En comparant les profils moléculaires de souris développant peu ou beaucoup de tumeurs intestinales, nous souhaitons mettre en évidence les facteurs épigénétiques mis en jeu pour expliquer cette différence de susceptibilité à la tumorigenèse. Pour ce faire, nous avons mis en place une stratégie visant à prélever un échantillon intestinal, par chirurgie, sur de jeunes souris qui ont ensuite été suivies jusqu’à l’âge adulte et à l’apparition des tumeurs. Cette stratégie innovante nous a permis de corréler les profils d'expression et de methylation d'ADN d’intestins développant peu ou beaucoup de tumeurs, ouvrant la possibilité de disposer de nouveaux marqueurs prédictifs quant aux chances de développer un cancer. Ces données sont complétées par une étude sur les conséquences de la perte du gène suppresseur de tumeur Apc, un gène couramment muté dans les cancers colorectaux humain. A l’aide de modèles de souris d’invalidation inductible, nous avons déterminé les conséquences de la perte d’Apc sur les profils de méthylation de l'ADN des cellules souches intestinales, et leur capacité à initier une tumeur. L’ensemble de ces différentes projets développés dans le cadre de ma thèse nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires liés à la prédisposition et à l’initiation tumorale et de proposer des nouvelles stratégies diagnostiques et d’évaluation du risque individuel. / Cancer initiation and progression represent the outcome of the progressive accumulation of genetic and epigenetic alterations. Global changes in the epigenome are now considered as a common hallmark of malignancies. However, most of our present knowledge represents the result of the comparison between fully established malignancies and their surrounding healthy tissue. Such comparison is not informative about the epigenetic contribution to the very early steps of cancer onset. By performing DNA methylation and gene expression profiling of the intestinal epithelium of relevant in vivo models we aim at shedding light on the correlation between the interindividual epigenetic polymorphisms within the population and the relative risk to develop malignancies, and establish the existence of a molecular signature associated with an increased susceptibility to develop intestinal cancer. Our results confirm that a considerable degree in the variability associated to cancer susceptibility cannot be ascribed to major genetic changes and that such heterogeneity seems to correlate with distinct molecular profiles associated to classes of poorly or highly susceptible isogenic animals.We also investigated in vivo the timing at which the remodeling occur at the epigenomic scale by analyzing the alterations in the DNA methylation and gene expression profiles of intestinal stem cells upon the loss of the Apc gene, the most common genetic lesion associated with human colorectal cancer initiation. We found that the loss of function of Apc in the Lgr5-positive intestinal stem cell compartment is rapidly accompanied by a reprogramming of the DNA methylation profiles resulting in altered gene expression and impaired fate determination in those cells. The results show that part of the phenotype resulting from the constitutive activation of the Wnt pathway upon Apc loss is acquired via differential epigenetic regulation of key biological processes controlling the balance between self-renewal and differentiation. By using conditional genetic ex vivo models we found part of these oncogenic effects to be reversible via the modulation of the machinery responsible for de novo methylation of the DNA.Overall, this work confirms that the epigenetic remodeling is an early event in tumorigenesis that might even precede actual cell transformation. The functional impact of our findings on cancer initiation is currently under investigation.

L’organisation nucléaire de la chromatine n’est pas aléatoire. Sa structure est parfaitement contrôlée, suivant un modèle hiérarchique avec différents niveaux d’organisation et de compaction. A large échelle, chaque chromosome occupe son propre espace au sein du noyau. A plus fine résolution, un chromosome est subdivisé en compartiments actifs ou répressifs, caractérisés par un état de la chromatine plus ou moins compact. A l’échelle du méga-base, cette organisation hiérarchique peut encore être divisée en domaines topologiques (ou TADs), jusqu’à la caractérisation de boucle d’ADN facilitant les interactions entre promoteurs et régions régulatrices. Très brièvement, et bien que les méchanismes exactes restent à déterminer, il a récemment été démontré que l’organisation spatiale de la chromatine dans une cellule normale joue un rôle primordial dans la régulation et l’expression des gènes. L’organisation en domaines topologiques implique la présence de complexes protéiques insulateurs tel que CTCF/cohésine. Ces facteurs jouent un rôle de barrière en restreignant et favorisant les interactions entre éléments régulateurs et gènes à l’intérieur d’un domaine, tout en limitant les interactions entre domaines. De cette façon, deux régions appartenant au même domaine topologique pourront fréquemment interagir, alors que deux régions appartenant à des domaines distincts auront une très faible probabilité d’interaction. Dans la cellule cancéreuse, l’implication de l’épigénome et de l’organisation spatiale de la chromatine dans la progression tumorale reste à ce jour largement inexplorée. Certaines études récentes ont toutefois démontré qu’une altération de la conformation de l’ADN pouvait être associée à l’activation de certains oncogènes. Même si les mécanismes exacts ne sont pas encore connus, cela démontre que l’organisation de la chromatine est un facteur important de la tumorigenèse, permettant, dans certains cas, d’expliquer les méchanismes moléculaires à l’origine de la dérégulation de certains gènes. Parmi les cas rapportés, une alération des régions insulatrices (ou frontières) entre domaines topologiques permettrait à des régions normalement éloignées spatialement de se retrouver en contact, favorisant ainsi l’activation de certains gènes. Une caractérisation systématique de la conformation spatiale des génomes cancéreux pourrait donc permettre d’améliorer nos connaissances de la biologie des cancers. Les techniques haut-débit d’analyse de la conformation de la chromatine sont actuellement largement utilisées pour caractériser les interactions physiques entre régions du génome. Brièvement, ces techniques consistent à fixer, digérer, puis liguer ensemble deux régions du génome spatialement proches. Les fragments d’ADN chimériques ainsi générés peuvent alors être séquencés par leurs extrémités, afin de quantifier le nombre de fois où ces régions ont été trouvées en contact. Parmi les différentes variantes de ces techniques, le Hi-C associé à un séquençage profond permet l’exploration systématique de ces interactions à l’échelle du génome, offrant ainsi une vue détaillée de l’organisation tri-dimensionnelle de la chromatine d’une population cellulaire. / The chromatin is not randomly arranged into the nucleus. Instead, the nuclear organization is tightly controlled following different organization levels. Recent studies have explored how the genome is organized to ensure proper gene regulation within a constrained nuclear space. However, the impact of the epigenome, and in particular the three-dimensional topology of chromatin and its implication in cancer progression remain largely unexplored. As an example, recent studies have started to demonstrate that defects in the folding of the genome can be associated with oncogenes activation. Although the exact mechanisms are not yet fully understood, it demonstrates that the chromatin organization is an important factor of tumorigenesis, and that a systematic exploration of the three-dimensional cancer genomes could improve our knowledge of cancer biology in a near future. High-throughput chromosome conformation capture methods are now widely used to map chromatin interaction within regions of interest or across the genome. The Hi-C technique empowered by next generation sequencing was designed to explore intra and inter-chromosomal contacts at the whole genome scale and therefore offers detailed insights into the spatial arrangement of complete genomes. The aim of this project was to develop computational methods and tools, that can extract relevant information from Hi-C data, and in particular, in a cancer specific context. The presented work is divided in three parts. First, as many sequencing applications, the Hi-C technique generates a huge amount of data. Managing these data requires optimized bioinformatics workflows able to process them in reasonable time and space. To answer this need, we developped HiC-Pro, an optimized and flexible pipeline to process Hi-C data from raw sequencing reads to normalized contact maps. HiC-Pro maps reads, detects valid ligation products, generates and normalizes intra- and inter-chromosomal contact maps. In addition, HiC-Pro is compatible with all current Hi-C-based protocols.