La méthylation de l'ADN est fortement reprogrammée pendant le développement chez les mammifères, où elle semble jouer un rôle essentiel dans la répression génique et le maintien de l'identité cellulaire. Néanmoins, les cibles de la méthylation de l'ADN, la cinétique d'acquisition et les mécanismes de ciblage au cours du développement sont mal connus. Le premier objectif de ma thèse a donc été d'identifier les cibles de la méthylation de l'ADN pendant l'embryogenèse chez la souris. Sachant que plusieurs études dans les cellules ES ont mis en évidence un lien entre l'histone méthyltransférase G9a et l'établissement de la méthylation de l'ADN, le deuxième objectif de ma thèse a été de tester le rôle de G9a dans l'établissement de la méthylation de l'ADN au cours de l'embryogenèse. Pour cela, j'ai développé une technique d'analyse de la méthylation à l'échelle génomique à partir d'un petit nombre de cellules. Nous avons observé que la méthylation est essentiellement catalysée par DNMT3B et est mise en place principalement pendant l'implantation de l'embryon entre le blastoscyste et l'épiblaste. Pendant cette période, la méthylation cible préférentiellement les gènes de la lignée germinale et est indispensable à leur répression. La méthylation cible aussi des gènes spécifiques de différentes lignées somatiques telles que la lignée hématopoïétique, et peut être effacée ultérieurement pendant la différentiation. De manière surprenante, nous avons identifié des promoteurs de gènes non soumis à l'empreinte qui semblent résister à la reprogrammation de la méthylation de l'ADN et hériter la méthylation des gamètes parentaux. Enfin, nous avons montré que, contrairement à ce que suggèrent les études dans les cellules ES, G9a ne semble pas être indispensable à l'acquisition et au maintien de la méthylation de l'ADN au niveau des promoteurs pendant le développement in vivo. / DNA methylation is an epigenetic mark extensively reprogrammed during mammalian development. It is believed to play essential functions in gene regulation and the maintenance of cellular identity. However, the target genes of DNA methylation and the mechanisms that recruit DNA methylation during development remain poorly understood. The first aim of my PhD project was to identify the target genes of DNA methylation during early mouse development in vivo. In addition, because several studies show that G9a is required for DNA methylation establishment and maintenance during ES cells differentiation, the second aim was to determine whether G9a is required for the establishment of promoter DNA methylation patterns during early development in vivo.To address these questions, I developped a genomics approach to map DNA methylation starting from very small amount of cells. .We observed a major epigenetic switch during implantation at the transition from the blastocyst to the postimplantation epiblast. During this period, DNA methylation is primarily targeted to repress the germline expression program. DNA methylation in the epiblast is also targeted to promoters of lineage-specific genes such as hematopoietic genes, which are subsequently demethylated during terminal differentiation. De novo methylation during early embryogenesis is catalyzed by Dnmt3b, and absence of DNA methylation leads to ectopic gene activation in the embryo. Surprisingly, we identify nonimprinted genes that escape post-fertilization DNA methylation reprogramming and seem to inherit promoter DNA methylation from parental gametes. Finally we show that, unlike what it was shown in ES cells, the absence of G9a in an in vivo context does not have a drastic effect on the maintenance and the establishment of promoter DNA methylation during early development.

L’infertilité masculine est actuellement considérée comme un problème majeur qui pose une situation alarmante sur la santé publique. L’oligozoospermie, l’asthénozoospermie et la tératozoospermie sont les trois anomalies les plus connues des spermatozoïdes. Elles affectent, respectivement, la densité, la motilité et la morphologie des spermatozoïdes. Un spermatozoïde anormal est très souvent corrélé à des altérations génétiques et épigénétiques qui peuvent affecter considérablement le transcriptome. Dans ce sens, le séquençage aléatoire du transcriptome entier des spermatozoïdes ou RNA-seq constitue un outil puissant pour caractériser ces maladies. Jusqu’à présent, il n’existe aucune étude exploitant des données RNA-seq chez des hommes présentant de telles anomalies spermatiques. L’objectif principal de notre étude fût d’identifier des profils distincts des modifications du transcriptome de chaque phénotype d’infertilité pour ainsi révéler des gènes-signatures qui tamponnent une spermatogenèse pathologiquePour ce faire, les transcriptomes des spermatozoïdes de 60 sujets infertiles atteints soit d’oligozoospermie, d’asthénozoospermie ou de tératozoospermie ont été comparés à ceux de 20 patients fertiles. Ces analyses supervisées nous ont conduit à identifier: (i) les gènes clés spécifiques aux différentes anomalies des spermatozoïdes (ii) les voies de signalisation associées, (ii) les différents longs ARNs non codants dérégulés dans ces anomalies. Au niveau de l’oligozoospermie, les transcrits de spermatozoïdes dérégulés étaient associées à divers stades de la spermatogenèse, y compris le cycle cellulaire méiotique, l’assemblage du complexe synaptonémal, la cohésion des chromatides sœurs, les processus métaboliques de piRNA, le processus catabolique protéique dépendant de la voie de l’ubiquitine, à la réponse aux dommages de l'ADN et particulièrement le processus de fécondation. Quant à l’asthenozoospermia, la spermatogenèse, l’assemblage du cil, des voies métaboliques reliées à la spermatogenèse, la chimiotaxie et la physiologie des cellules immunitaires ont été significativement dérégulés. De plus, ce qui nous a intéressé au plus était l’analyse des transcrits sous-exprimés qui a permis l’identification de nombreux transcrits associées aux modifications des histones. Nous avons aussi mis en évidence une sous expression des gènes différentiellement exprimés qui définit la tératozoospermie. Cette sous expression est associée au système ubiquitine-protéasome, à l’organisation du cytosquelette, au cycle cellulaire, à la SUMOylation en réponse aux dommages de l'ADN et aux protéines de réparation ainsi qu’à de nombreux modulateurs épigénétiques. Les gènes signature de l'oligozoospermie ont été liés au processus de fécondation et les composants de la matrice extracellulaire, tandis que ceux de la tératozoospermie sont liés à la spermatogenèse et la morphogenèse cellulaire, alors que les gènes signature de l'asthénozoospermie sont impliqués dans l'assemblage du ribosome et du flagelle. En complément de cette étude, nous avons réalisé une étude très globale du paysage épigénétique du sperme des hommes infertiles. Nous avons, ainsi comparé les niveaux des espèces réactives de l’oxygène (ERO), de méthylation de l’ADN, ainsi que l’intégrité de la chromatine dans les spermatozoïdes de 30 individus infertiles avec ceux de 33 individus fertiles. Nos analyses montrent des niveaux élevés d’ERO chez les individus infertiles. Ces niveaux sont d’une part négativement corrélés avec les niveaux de méthylation globale de l’ADN et d’autre part négativement corrélés avec ceux de la 5-hydroxyméthylcytosine et de la 5-formylcytosine (intermédiaire dans le processus de déméthylation active). Ces derniers suggèrent qu’une infertilité associée au stress oxydatif conditionne l’épigénome du sperme. En conclusion, l’ensemble de notre travail apporte des ressources précieuses et originales dans la compréhension des pathologies de sperme. / Male infertility is actually considered as a public alarming health problem. The sperm pathologies spectrum ranges between different phenotypes including oligozoospermia, asthenozoospermia and teratozoospermia depending on the sperm conventional parameters abnormalities. Abnormal sperm is characterized by genetic alterations and epigenetic alterations which can affect the transcriptome extensively. These alterations in RNA profiles are retrospectively indicative of aberrant spermatogenic events. RNA-seq is a powerful tool for comprehensive characterization of whole transcriptome. To date, RNA-seq analysis of sperm from infertile men has not been reported. Our objectives are: (i) recognize key clusters, key pathways and specific gene transcripts for different sperm abnormalities; (ii) catalog the spermatozoal lncRNAs in different sperm pathologies; (iii) identify signature genes which are mechanistically important in the cascade of events driving a pathological spermatogenesis; (iii) portray the global epigenetic landscape in sperm from infertile men. Expression data from 60 sperm samples from 3 groups of infertile men (oligozoospermia, asthenozoospermia, and teratozoospermia) were generated on Illumina HiSeq platform, compared to 20 fertiles, and the resulting gene expression patterns were analyzed for functional enrichment. Our supervised analyses identified numerous differentially expressed genes between fertile and infertile men. In oligozoospermia, the deregulated spermatozoal transcripts were associated with various stages of spermatogenesis including meiotic cell cycle, synaptonemal complex assembly, sister chromatid cohesion, piRNA metabolic process, ubiquitin-dependent protein catabolic process, cellular response to DNA damage stimulus and interestingly fertilization. As for asthenozoospermia, spermatogenesis, cilium assembly, metabolic-related pathways, chemotaxis and immune cell physiology were most significantly differentially expressed. Interestingly, numerous transcripts associated with histone modifications were highly down-regulated. With regards to teratozoospermia, we evidenced sperm-specific differentially expressed genes which are involved in the ubiquitin-proteasome, cytoskeleton organization, the cell cycle pathway, SUMOylation of DNA damage response and repair proteins, as well as many putative epigenetic modulators of gene expression.. We also attempted to identify distinct patterns of gene expression changes that were definite to the different abnormal sperm phenotypes in infertile men relative to controls. Signature genes of oligozoospermia were over-enriched by genes involved in fertilization and extracellular matrix components, while signature genes of teratozoospermia were enriched by genes involved in spermatogenesis and cellular components involved in morphogenesis, whilst signature genes of asthenozoospermia were enriched by genes implicated in ribosome and cilium assembly.We complemented this work by a parallel epigenetic analysis of the global epigenetic landscape in infertile men. We compared the levels of reactive oxygen species (ROS), DNA integrity and global epigenetic parameters in sperm from 33 infertile subjects with abnormal semen parameters compared to fertile individuals. We pointed out that infertile men are characterized by strikingly high levels of reactive oxygen species (ROS) which were in part negatively correlated with the global DNA methylation, and positively correlated with the levels of 5-hydroxymethylcytosine and 5-formylcytosine (active demethylation intermediates). These findings suggest that male infertility associated with oxidative stress shapes the sperm epigenetic landscape. In summary, this original work yielded a transcriptional portrait of sperm abnormalities and provided valuable resources that would further elucidate sperm pathologies.

Le lymphome à cellules du manteau (LCM) est un cancer lymphoïde agressif caractérisé par des rechutes itératives et un mauvais pronostique. Le LCM est associé à une génétique complexe et à des dérégulations de gènes tissu-spécifiques, potentiellement liées à des perturbations de la marque épigénétique H3K9me3. En criblant les niveaux d’H3K9me3 dans une cohorte de 120 cas de LCM, nous avons montré une perte de cette marque dans 30% des cas. Cette perte d’H3K9me3 a été reliée à une diminution de l’expression ou de l’activité des histones methyltransferases SUV39H1 et SETDB1, et à l’expression différentielle de programmes d’expression génique associés aux cellules souches embryonnaires ou hématopoïétiques, à la différentiation B et la réponse aux dommages à l’ADN. Un séquençage à haut-débit ciblé n’a pas permis de mettre en évidence de mutations associées à cette perturbation épigénétique.Nous avons également montré qu’une invalidation de l’expression de SUV39H1 causait une augmentation du volume tumoral dans un modèle de xénogreffe et qu’une perte de SETDB1 induisait un arrêt du cycle cellulaire en phase G1/S, associé à une reprogrammation cellulaire vers un phénotype pré-B. L’ensemble de ces données suggère une convergence des voies de signalisation associées à H3K9me3 vers des cibles essentielles à la pathogénèse du LCM. Les mécanismes épigénétiques associées à la régulation de ces cibles sont actuellement étudiés par immunoprécipitation de la chromatine associée à H3K9me3. Des analyses de survie dans le cadre d’un essai clinique prospectif permettront également d’établir l’impact pronostique des pertes d’H3K9me3 dans le LCM. / Mantle cell lymphoma (MCL) is an aggressive lymphoid cancer characterised by iterative clinical relapses and short survival. MCL displays complex genetics and hallmarks of misregulated expression of lineage specific genes. We have hypothesized that the latter might result from corruption of H3 lysine 9 trimethylation signaling. By screening for H3K9me3 levels across a cohort of 120 MCL cases, we found global reductions in H3K9me3 in 1/3 of cases. H3K9me3 depletion was linked to underexpression / attenuated activity of SUV39H1 and SETDB1 histone methylases, respectively, and to differential expression of key cancer signatures relating to embryonic/hematopoietic stem cell function, B cell differentiation, and DNA damage response. Targeted deep sequencing did not reveal association to mutations in known epigenetic modifiers, indicating a new, previously-unsuspected role for H3K9me3 in MCL pathogenesis. In keeping with this, knockdown of SUV39H1 increased tumour growth in MCL xenografts while SETDB1 depletion induced G1/S arrest coincident to reprogramming to a pre-B cell phenotype. Taken together this identifies convergence of H3K9me3 signaling pathways to essential targets for MCL disease pathogenesis. These are currently under investigation by H3K9me3 ChIP-seq. Survival analyses in the setting of a prospective clinical trial will establish the prognostic impact of H3K9me3 in MCL.

Chez les Mammifères, le succès de la fécondation et d’un développement embryonnaire viable résident principalement dans la qualité des cellules reproductrices : les gamètes mâles (spermatozoïdes) et femelles (ovocytes) apportant chacun la moitié du patrimoine génétique du futur individu. Dès lors que ce patrimoine génétique est endommagé par différents processus tels que les attaques radicalaires communément appelées stress oxydant, cela peut compromettre la qualité des gamètes et par conséquent le succès de la reproduction. En effet, les dommages oxydants à l’ADN spermatique sont une des causes d’infertilité masculine fréquemment associés aux échecs reproductifs dans le cadre de conception naturelle ou artificielle chez l’homme. Afin de mieux appréhender l’impact des dommages oxydants sur la qualité des spermatozoïdes, notre équipe a généré des modèles murins présentant des atteintes oxydantes de l’ADN associées à des échecs reproductifs. Dans un de ces modèles nous avons pu montrer que tout le noyau spermatique n’était pas concerné de la même façon par les altérations oxydantes. De même, à l’échelle des chromosomes murins les investigations de l’équipe suggéraient que tous n’étaient concernés de la même façon. Dans ce travail de thèse, j’ai développé et mis en œuvre des protocoles d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) permettant de montrer que la susceptibilité des chromosomes à l’oxydation est déterminée par la position des chromosomes dans le noyau spermatique murin. En parallèle de cette étude, je me suis intéressé à l’épigénome spermatique et plus particulièrement à la méthylation de l’ADN en conditions de stress oxydant. Les résultats préliminaires montrent qu’un environnement post-testiculaire pro-oxydant peut altérer le profil épigénétique spermatique. Dans un développement pré-clinique du sujet, j’ai contribué à montrer qu’une supplémentation orale antioxydante permettait de corriger les dommages oxydants à l’ADN, en modifiant la réponse antioxydante globale du tissu épididymaire des animaux. / In Mammals, the success of fertilization and embryonic development, are associated to the quality of the reproductive cells: male gametes (spermatozoa) and female gametes (oocytes); each bringing half of the genetic heritage of the future individual. This genetic heritage may be compromised by various processes a very common one being radical attacks in cases of oxidative stress, it could diminish the quality of gametes and therefore the success of reproduction. It is well described that sperm DNA oxidative damage (SDOD) is one of the causes of male infertility frequently associated with reproductive failures in the context of natural or artificial conception in humans. To better understand the impact of oxidative damage on the quality of sperm, our team generated mouse models with SDOD. Characterization of these transgenic mice has shown that SDOD alone was associated with increased embryo defects, miscarriages and perinatal mortality. The team also brought forward that SDOD concerns preferentially specific regions of the sperm nucleus. In addition, the team suggested that sperm chromosomes were not identically susceptible to oxidative damage.In this thesis work, I developed and implemented fluorescence in situ hybridization (FISH) protocols to study chromosome positioning in the mouse sperm. I confirmed that susceptibility of chromosomes to oxidation is determined by their position in the murine sperm nucleus. In parallel, I addressed the question whether the sperm epigenome (particularly DNA methylation) was modified in a situation of post-testicular oxidative stress. Preliminary results seem to show that SDOD disturbs the sperm epigenetic profile.In parallel, in a pre-clinical approach, I contributed to show that an oral antioxidant supplementation can correct SDOD by modifying the antioxidant response of the epididymal tissue of the treated animals.

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.