Environ 6000 à 8000 maladies rares différentes existent aujourd’hui, affectant environ 6 à 8% de la population mondiale. La grande majorité d’entre elles correspond à des maladies génétiques, pour lesquelles il n'existe pas de traitement curatif. La révolution génomique a augmenté l’espoir d’obtenir des traitements spécifiques du défaut génétique pour de nombreuses maladies. Dans ces conditions, le traitement et l’analyse des données ne sont pas triviaux et s’éloignent de la simple routine.Cette thèse rapporte la création de Saut d'exon, capables d’aider les chercheurs et les cliniciens à identifier les mutations responsables de certaines maladies et développer de nouvelles stratégies thérapeutiques. Ainsi, les systèmes Human Splicing Finder et UMD-Predictor permettent respectivement de prédire l’effet d’une mutation sur l’épissage et la fonction de la protéine. Ils ont été validés grâce à des jeux de données de référence et/ou issus de la littérature, et peuvent aider les cliniciens à annoter correctement les variations de signification inconnue. De plus, cette thèse propose deux outils à visées thérapeutiques : Skip-E, un outil d’identification des AON candidats à la thérapie par saut d’exon, et NR-Analyser, un système de prédiction des codons de terminaison prématurés candidats à la thérapie par translecture des codons stop.Ces différents systèmes s'intègrent dans un projet plus global dédié à la recherche translationnelle. Par ces deux volets, prédictif et thérapeutique, cette thèse s’inscrit dans une stratégie de recherche en adéquation avec les objectifs du Consortium International pour la Recherche contre les Maladies Rares, l’IRDiRC. / About 6,000 to 8,000 distinct rare diseases exist today and are estimated to affect 6-8% of the world population. The vast majority of them are genetic and for most of them there is no cure. The genomic revolution has increased the hope of specific treatments based on the gene for many diseases. New technologies have emerged, changing drastically data scale produced in biomedical research. In these conditions, treatment and analysis of data are far from trivial and mere routine, despite spectacular advances in computer technology.This thesis reports the creation of bioinformatics systems, capable of helping researchers and clinicians to identify mutations responsible for certain diseases and to develop new therapies. Thus, the Human Splicing Finder and UMD-Predictor systems predict the effect of a mutation on splicing and protein, respectively. Both bioinformatics systems have been validated through high quality reference datasets, and may help clinicians to properly annotate variations of unknown significance. In addition, this thesis offers two new systems for therapeutic purposes: the Skip-E system identifies optimal candidates AONs for exon skipping therapies, and NR-Analyser, a system that predicts premature termination codons potentially candidates to nonsense readthrough therapies.These different systems are part of a larger project dedicated to translational research. With its predictive and therapeutic aspects, this thesis is part of a research strategy matching with the objectives of the IRDiRC (International Rare Diseases Research Consortium).

L'épissage alternatif des ARNs pré-messagers est le mécanisme majeur de diversification de l'information génétique chez les eucaryotes supérieurs. Près de 70% des gènes sont concernés par ce mécanisme. Au cours de la différenciation érythroïde, l'inclusion de l'exon 16 du pré-messager 4.1R représente un événement majeur pour la fonction érythrocytaire normale de la protéine 4.1R. Cet événement d’épissage est bloqué dans les cellules MEL surexprimant l’oncoprotéine Spi.1/PU.1. Mon travail de thèse avait pour but de comprendre ce mécanisme de blocage en étudiant le rôle de la voie de signalisation de la PI3K en relation avec la phosphorylation de Spi.1/PU.1 d'une part, et celle des facteurs d'épissage de la famille des protéines SR d'autre part. J’ai montré que l’inhibition de la PI3K active la production d’hémoglobine ainsi que l’épissage de l’exon 16 4.1R. Ensuite j’ai montré que la phosphorylation de Spi-1/PU.1 par la PI3K est nécessaire pour son activité d’inhibition de la différenciation et de l’épissage de l’exon 16 4.1R. Enfin, j’ai montré que le facteur d’épissage Srp40 de la famille des protéines SR est un activateur stade spécifique de l’inclusion de l’exon 16. La surexpression de Srp40 dans les cellules MEL active l’inclusion de l’exon 16 indépendamment de la différenciation. / Pre-mRNA alternative splicing is a major mechanism of diversification of genetic information in evolued eukaryotes. The expression of about 70% of genes is regulated by this mechanism. During late erythroid development, the inclusion of exon 16 in the mature 4.1R mRNA is a major event that is essential for the corresponding protein function. This process is inhibited in MEL cells overexpressing the oncoprotein Spi-1/PU.1. My thesis work aims to understand the mechanism of this inhibition by studying the role of PI3K signal transduction pathway and its effects on Spi-1/PU.1 in the first place, then its effects on the SR protein family. I showed that PI3K inhibition leads to the activation of hemoglobin synthesis and to the inclusion of exon 16. Moreover, I showed that the phosphorylation mediated by the PI3K pathway is necessary for both the differentiation-inhibiting activity of Spi-1/PU.1 and concurrent inclusion of exon 16. Finally, I showed that the Srp40 splicing factor is an activator of the exon 16 inclusion. Overexpression of Srp40 in MEL cells lineage activates exon 16 inclusion independently of the differentiation.

Dans les cellules eucaryotes, l'expression des gènes est régulée à de multiples étapes. Les régulations post-transcriptionnelles regroupent l'ensemble des contrôles qui s'exercent sur un ARN, en particulier sa maturation nucléaire, sa stabilité et son contrôle traductionnel. Les protéines de liaison aux ARN sont des acteurs majeurs de ces régulations post-transcriptionnelles. Les protéines CELF1 et ELAVL1, abondantes et quasiment ubiquitaires, participent à ces différents niveaux de régulation et sont susceptibles de modifier le devenir des transcrits. Au cours de ces travaux, nous avons étudié l'impact de CELF1 sur l'abondance et la maturation des ARN par des approches transcriptomiques. Nous avons classé les transcrits en fonction de leurs réponses aux différentes inactivations. L'ensemble de ces données montre que i) CELF1 et ELAVL1 ont des rôles bivalents, leur déplétion étant associée à une répression ou une activation de certains gènes ; ii) dans des cellules HeLa, les effets des différentes déplétions sont majoritairement des effets indirects ; iii) CELF1 et ELAVL1 ont très majoritairement le même effet sur l'abondance des ARNm qu'elles contrôlent directement ; iv) CELF1 et ELAVL1 ont le plus souvent des effets coopératifs ou redondants sur l'abondance des transcrits liés. L'effet combinatoire de CELF1 et ELAVL1 dépend de l'ARNm considéré, révélant une complexité des régulations post-transcriptionnelles critiques pour le devenir d'une cellule. / In eukaryotic cells, after transcription gene expression is controlled at multiple steps. These qualitative and quantitative post-transcriptional regulations are specified by RNA binding proteins (RBP). By combining transcriptomic analysis and binding site information for CELF1, we showed that CELF1 regulates both nuclear and cytoplasmic steps of gene expression. CELF1 directly controls the stability of cyclin D1 mRNA and the splicing of several RNA including KLC1 (light chain kinesin 1). Because mRNAs are in complexes consisting of multiple RBP we studied whether CELF1 and ELAVL1 would interact and control the abundance of their bound mRNAs. This analysis unravel a surprising redundancy or cooperativity of CELF1 and ELAVL1. The combinatorial effects of CELF1 and ELAVL1 were highly dependent on the considered RNA. Interestingly, we showed that both proteins cooperate and interact physically.

Des mutations germinales dans les gènes majeurs du cancer du sein BRCA1 et BRCA2 sont responsables de la maladie chez les patientes cumulant histoire familiale et apparition du cancer à un jeune âge. Environ 15% des femmes testées pour les mutations de BRCA1 et BRCA2 sont porteuses d’une mutation clairement pathogénique dans un des deux gènes. Cependant, des variants de signification clinique incertaine (VUS pour "variants of uncertain clinical significance") sont détectés dans 5% à 15% des cas testés. Pour évaluer la signification clinique des VUS, le Breast cancer Infomation Core (BIC) a développé un modèle Bayésien intégré, basé sur des données d'observations. Align-GVGD, un algorithme d'évaluation des substitutions faux-sens basé sur l'histoire évolutionnaire de la protéine fournit la probabilité a priori du modèle. Cependant, lorsqu'une substitution silencieuse est détectée, elle sera jugée comme neutre par l'évaluation in silico. Pourtant, une mutation au niveau de l'ARNm peut perturber la mécanique de l'épissage, par deux moyens principaux: endommagement des sites sauvages d'épissage, ou la création de sites exoniques d'épissage de novo. Notre premier objectif est de rassembler les variants déjà publiés, de les re-analyser avec le modèle d'évaluation intégrée. Nous voulons extraire le plus de variants publiés premièrement sous le statut de VUS vers un statut plus informatif, avec des recommandations cliniques associées. Par la suite, nous voulons étendre le modèle pour évaluer plus de variants, plus précisément, en intégrant l'évaluation des perturbations de l'épissage. Finalement, nous serons capable de présenter et de fournir ces informations librement sur Internet, via une interface web populaire, une Leiden Open Variation Database (LOVD) / Germline mutations in major breast cancer susceptibility genes BRCA1 and BRCA2 are responsible for the disease for high-risk patients (patients with early onset and familial history of breast cancer). Around 15% of screened women for BRCA1 and BRCA2 mutations carry one clearly pathogenic mutation in one of those two genes. However, variants of uncertain clinical significance (VUS) are detected in 5% to 15% of tested patients. To assess clinical significance of VUS, the Breast cancer Information Core (BIC) has developed a Bayesian integrated model, based on observational data. Align-GVGD, an algorithm evaluating damage of missense substitutions based on the evolutionary history of the protein, is providing the prior probability of the model. However, whenever a silent substitution arise, it is firstly treated as neutral by the in silico assessment. Indeed, a mutation at the mRNA level can disrupt the splicing machinery by two main means: damaging wild-type splice sites, or creating exonic de novo splice sites. Our first goal is to be a central repository of already published variants, to re-analyze them using the unified integrated evaluation model. We would like to extract the most variants from the original published status of VUS to a more informative status, with associated clinical recommendations. Then we would like to extend the model to be able to evaluate more variants more precisely by adding the splicing damages assessment in the integrated evaluation. In the end, we will be able to provide these informations freely on Internet, via a widely use web interface, a Leiden Open Variation Database (LOVD)

La progression tumorale, qui conduit à la formation de métastases, est le résultat de profondes modifications des différents niveaux de régulation de l'expression des gènes comme la transcription ou l'épissage alternatif. Au cours de ma thèse, j'ai étudié le rôle de DDX5 et DDX17, deux ARN hélicases qui, au cours de la progression tumorale, sont impliquées dans la régulation transcriptionnelle, l'épissage alternatif et la biogénèse des microARNs. Pour cela, j'ai utilisé deux modèles de progression tumorale : le modèle murin 4T1, composé de cellules cancéreuses qui présentent des propriétés métastatiques différentes, et les cellules humaines MCF10A qui, après traitement au TGF-beta, sont capables de réaliser la transition épithélio-mésenchymateuse, un processus de trans-différenciation qui contribue à la formation des métastases. Dans le modèle 4T1, j'ai montré que Ddx17 et Ddx5 contribuent à l'invasivité des cellules tumorales en contrôlant des programmes transcriptionnels et d'épissage alternatif. Plus précisément, j'ai démontré que Ddx5 et Ddx17 favorisent l'agressivité des cellules cancéreuses en régulant l'épissage des variants de l'histone macroH2A1 qui, à leur tour, contrôlent l'expression de gènes impliqués dans la progression tumorale. Dans le modèle MCF10A où la transition épithélio-mésenchymateuse peut être induite sous TGF-beta, j'ai montré que DDX5 et DDX17 orchestrent dynamiquement des programmes transcriptionnels et d'épissage. Le travail effectué pendant ma thèse met en évidence l'importance des ARN hélicases DDX5 et DDX17 comme régulateurs clés de la progression tumorale, et souligne le rôle de l'épissage alternatif lors de la progression tumorale. De plus, ce travail met l'accent sur l'importance d'intégrer les différents niveaux de régulation de l'expression des gènes (transcription, épissage, microARN) pour une compréhension globale de la progression tumorale / Tumor progression leading to the formation of metastases result from deep modifications of gene expression programs at several levels, including transcription and splicing. During my PhD, I investigated the role in tumor progression of DDX5 and DDX17, two highly related multifunctional DEAD box RNA helicases that are involved in transcription and splicing as well as in microRNA biogenesis. For this purpose, I used two breast cancer models of tumor progression : the 4T1 mouse model composed of cancer cells that exhibit different metastatic properties and MCF10a human cells that undergo epithelial-to-mesenchymal transition upon Tgf-beta treatment, a trans-differentiation process contributes to metastasis formation. In the 4T1 mouse model, I showed that Ddx17 and Ddx5 contribute to tumor-cell invasiveness by controlling both transcriptional and splicing programs. More specifically, I demonstrated that Ddx5 and Ddx17 promote cancer cells aggressiveness by regulating the splicing of the macroH2A1 histone which in turn impacts on the expression of genes implicated in tumor cell invasiveness. In the Tgf-beta induced epithelial-to-mesenchymal trans-differentiation model, I showed that DDX5 and DDX17 dynamically orchestrate transcription, microRNA and splicing programs. The work performed during my PhD highlights the importance of DDX5 and DDX17 RNA helicases as key regulators of tumor progression in breast cancer, and also underlines the role of alternative splicing during tumor progression. Furthermore, this work emphasizes the importance of integrating the different layers of the gene expression process (transcription, splicing, microRNA) for a comprehensive understanding of tumor progression

L’aldostérone et le Récepteur Minéralocorticoïde (MR) participent au contrôle de la balance hydrosodée et de la pression artérielle. Les altérations de l’expression du MR ou de la signalisation minéralocorticoïde sont associées à de nombreuses pathologies chez l’Homme. Dans ce travail, nous avons démontré, le rôle majeur de protéines de liaison à l’ARN, Tis11b et HuR, dans le contrôle post-transcriptionnel de l’expression du MR en réponse aux variations de tonicité extracellulaire dans un modèle de cellules principales rénales et chez la souris. L’hypertonicité (500 mOsmol/L) induit l’expression de la protéine Tis11b, qui lie la région 3’-non traduite du transcrit MR afin d’accélérer sa dégradation, diminuant ainsi l’expression rénale de la protéine MR et de la signalisation minéralocorticoïde. A l’opposé, l’hypotonicité (150 mOsmol/L) stimule la translocation nucléo-cytoplasmique de HuR, qui stabilise le transcrit MR, augmentant ainsi l’expression du MR et la sensibilité rénale à l’aldostérone. De plus, HuR est responsable de l’édition d’un nouveau variant d’épissage du MR, le variant MR Δ6, obtenu par l’exclusion de l’exon 6.Ce variant d’épissage exerce un effet dominant négatif sur la signalisation minéralocorticoïde. Enfin, l’identification de microARN modulés par l’hypertonicité suggère leur rôle potentiel dans le contrôle de la signalisation minéralocorticoïde rénale. La caractérisation de ces mécanismes inédits modulant l’action du MR améliore notre compréhension de la physiopathologie de la signalisation minéralocorticoïde, et pourrait aboutir, à terme, à de nouvelles stratégies thérapeutiques. / Aldosterone and the Mineralocorticoid Receptor (MR) participate to the control of salt and water balance and the arterial pressure. Alteration of renal MR expression or mineralocorticoid signaling pathway contributes to the development of numerous human disorders. In this work, we have demonstrated the major role played by the RNA-Binding Proteins, Tis11b and HuR, in the control of MR expression in response to variations of extracellular tonicity in a model of principal tubular cells and in vivo. Hypertonicity (500 mOsmol/L) increases the expression ofTis11b, which binds the 3’-untranslated region of MR transcript and accelerates the degradation of MR transcript, leading to the reduction of the mineralocorticoid signaling. Conversely, hypotonicity (150 mOsmol/L) stimulates nuclear-cytoplasmic shuttling of HuR protein, which stabilizes MR transcript increasing its expression and renal sensitivity to aldosterone action. Furthermore, HuR participates to the editing of the novel MR Δ6 splice variant, which lacks exon 6, and exerts a dominant negative effect on mineralocorticoid signaling. Finally, we have provided evidence that hypertonicity modulates expression of microRNA, which may control mineralocorticoid signaling pathway. Characterization of these original mechanisms modulating MR action is pivotal for a better understanding of mineralocorticoid-related pathophysiology, and should ultimately lead to the development of new therapeutic strategies.

La voie de signalisation NF-kB (nuclear factor kB) régule la transcription de gènes impliqués dans la réponse immune et l’inflammation. L’activation chronique de cette voie est fréquemment retrouvée associée à des désordres inflammatoires et des cancers. Les impacts fonctionnels de l’activation de la voie NF-kB ont été jusqu’à présent étudiés à l’échelle des promoteurs. Néanmoins, les études récentes de la distribution chromatinienne de NF-kB indiquent que la sous-unité NF-kB RelA se localise majoritairement dans les régions intragéniques, incluant des exons et des introns, où ses fonctions restent inconnues. Mes travaux ont consisté à adresser cette question dans le contexte de l’infection par le virus HTLV-1, un activateur chronique de la voie NF-kB, responsable de la leucémie T de l’adulte. Mes données montrent que l’activation de la voie NF-kB par l’oncogène viral Tax de HTLV-1 s’accompagne de modifications de l’épissage alternatif d’exons riches en GC qui coïncident avec le recrutement chromatinien de RelA à proximité de ces exons régulés. Les analyses intégratives des profils d’épissage et du remodelage de la chromatine, combinées à des essais de ciblage expérimental de la chromatine (TALE), démontrent que la fixation intragénique de RelA permet de recruter le régulateur d'épissage DDX17 pour moduler l’épissage alternatif de l’exon via son activité hélicase. Ces données révèlent que, outre ses fonctions transcriptionnelles, le facteur NF-kB RelA agit comme une ancre chromatinienne pour le facteur d’épissage DDX17 et fournit une spécificité de régulation d’épissage alternatif. Ces données revisitent nos connaissances des mécanismes physiopathologiques des maladies associées à HTLV-1 ainsi que d'autres désordres reliés à l’activation chronique de la voie NF-kB / The NF-kB (nuclear factor kB) signaling pathway regulates gene transcription of genes involved in immune response and inflammation. Chronic activation of NF-kB frequently associated with inflammatory disorders and cancer. The functional impacts of NF-kB have long been studied at the promoter level. Nevertheless, recent studies of the chromatin distribution of RelA indicate that this NF-kB subunit is predominantly localized in intragenic regions, including exons and introns, where its functions remain unknown. My work has addressed this question in the context of HTLV-1 infection, which is a constitutive activator of NF-kB, and the causative agent of the Adult T-cell Leukemia. The results show that the activation of NF-kB by the viral oncoprotein Tax results in changes in alternative splicing regulations of GC-rich exons that coincide with the chromatin recruitment of RelA in the vicinity of these exons. Integrative analysis of RNA splicing and chromatin occupancy, combined with experimental chromatin tethering assays (TALE) demonstrate that the intragenic binding of RelA leads to the recruitment of the splicing regulator DDX17, which modulates the inclusion rate of exon thanks to its helicase activity. Altogether, these data reveal that, besides its transcriptional role, NF-kB RelA acts as a chromatin anchor for the splicing factor DDX17 and provides alternative splicing specificity. These data revisit our knowledge of the physiopathologic mechanisms of HTLV-1 associated diseases , as well as other disorders related to the chronic activation of the NF-kB pathway

Le cœur des vertébrés est un organe modulaire qui requiert le " patterning " complexe des champs morphogénétiques cardiogènes et la convergence coordonnée des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques. Au moins 7 facteurs de transcription de la famille T-box coopèrent au sein de ces nombreuses sous-populations de progéniteurs cardiogéniques afin de réguler la morphogenèse et l’agencement de multiples structures le long de l’ébauche cardiaque, ce qui explique que les mutations humaines de ces gènes engendrent diverses malformations congénitales cardiaques (MCCs). L’un de ces gènes T-box, Tbx5, dont l’haploinsuffisance génère le syndrome de Holt-Oram (SHO), intervient dans une grande variété de réseaux de régulation géniques (RRGs) qui orchestrent la morphogenèse des oreillettes, du ventricule gauche, de la valve mitrale, des septums inter-auriculaire et inter-ventriculaire, ainsi que du système de conduction cardiaque. La diversité des RRGs impliqués dans la formation de ces structures cardiaques suggère que Tbx5 détient une profusion de fonctions qui ne seront identifiables qu’en répertoriant ses activités moléculaires dans chaque lignée cardiaque examinée isolément. Afin d’aborder cette problématique, une ablation génétique de Tbx5 dans l’endocarde a été réalisée. Cette expérience a démontré le rôle crucial de Tbx5 dans la survie des cellules endocardiques bordant le septum primum et des cardiomyocytes au sein de cette structure embryonnaire qui contribuera à la morphogenèse du septum inter-auriculaire. En outre, cette étude a révélé l’existence d’une communication croisée entre la sous-population de cellules endocardiques Tbx5+ et le myocarde au niveau du septum primum, afin d’assurer la survie des cardiomyocytes, et ultimement de garantir la maturation du septum inter-auriculaire. Nos résultats confirment aussi l’importance de l’interdépendance génétique (Tbx5 et Gata4 ainsi que Tbx5 et Nos3) entre différents loci dans la morphogenèse de la cloison inter-auriculaire, et particulièrement de l’influence que peut avoir l’environnement sur la pénétrance et l’expressivité des communications inter-auriculaires (CIAs) dans le SHO. En outre, puisque les fonctions d’un gène dépendent ordinairement des différents isoformes qu’il peut générer, une deuxième étude a focalisé davantage sur l’aspect transcriptionnel de Tbx5. Cette approche a mené à la découverte de 6 transcrits alternatifs exhibant des fonctions à la fois communes et divergentes. La caractérisation de 2 de ces isoformes a révélé le rôle de l’isoforme long (Tbx5_v1) dans la régulation de la croissance des cardiomyocytes durant la cardiogénèse, tandis que l’isoforme court (Tbx5_v2), préférentiellement exprimé dans le cœur mature, réprime la croissance cellulaire. Il est donc entièrement concevable que les mutations de TBX5 entraînant une troncation de la région C-terminale accroissent la concentration d’une protéine mutée qui, à l’instar de Tbx5_v2, interfère avec la croissance de certaines structures cardiaques. En revanche, la divergence de fonctions de ces isoformes, caractérisée par les disparités de localisation subcellulaire et de d’interaction avec d’autres cofacteurs cardiaques, suggère que les mutations affectant davantage un isoforme favoriseraient l’émergence d’un type particulier de MCC. Finalement, un dernier objectif était d’identifier le ou les mécanisme(s) moléculaire(s) par le(s)quel(s) Tbx5 régule son principal gène cible, Nppa, et d’en extraire les indices qui éclairciraient sa fonction transcriptionnelle. Cet objectif nécessitait dans un premier lieu d’identifier les différents modules cis-régulateurs (MCRs) coordonnant la régulation transcriptionnelle de Nppa et Nppb, deux gènes natriurétiques dont l’organisation en tandem et le profil d’expression durant la cardiogénèse sont conservés dans la majorité des vertébrés. L’approche d’empreinte phylogénétique employée pour scanner le locus Nppb/Nppa a permis d’identifier trois MCRs conservés entre diverses espèces de mammifères, dont un (US3) est spécifique aux euthériens. Cette étude a corroboré que la régulation de l’expression du tandem génique Nppb/Nppa requérait l’activité transcriptionnelle d’enhancers en complément aux promoteurs de Nppa et Nppb. La concordance quasiment parfaite entre les profils d’expression de Tbx5 et de ces deux gènes natriurétiques chez les mammifères, suggère que le gradient d’expression ventriculaire de Tbx5 est interprété par le recrutement de ce facteur au niveau des différents enhancers identifiés. En somme, les études présentées dans cette thèse ont permis de clarifier la profusion de fonctions cardiaques que possède Tbx5. Certaines de ces fonctions émanent de l’épissage alternatif de Tbx5, qui favorise la synthèse d’isoformes dotés de propriétés spécifiques. Les diverses interactions combinatoires entre ces isoformes et d’autres facteurs cardiaques au sein des diverses sous-populations de progéniteurs cardiogènes contribuent à l’émergence de RRGs cardiaques divergents. / The vertebrate heart is a modular organ, which requires the complex patterning of the morphogenetic heart fields and the coordinated convergence of the diverse subpopulations of cardiogenic progenitors. At least 7 transcription factors of the T-box family cooperate within these numerous subpopulations of cardiogenic progenitors to regulate the morphogenesis and the layout of multiple structures along the primordial heart tube, which explains that the human mutations of these genes induce various congenital heart defects (CHDs). One of these T-box genes, Tbx5, whose haploinsufficiency generates the Holt-Oram syndrome (HOS), intervenes in a wide variety of gene regulatory networks (GRNs) that orchestrate the morphogenesis of the atria, the left ventricle, the mitral valve, the inter-atrial and inter-ventricular septa, as well as the cardiac conduction system. The diversity of GRNs involved in the formation of these cardiac structures suggests that Tbx5 holds a profusion of functions which will be identifiable only by indexing its molecular activities in each separately examined cardiac lineage. To address this problem, a conditional knockout of Tbx5 in the endocardium was generated. This experiment demonstrated a crucial role of Tbx5 in the survival of the endocardial cells lining the septum primum and the cardiomyocytes within this embryonic structure, which will contribute to the morphogenesis of the inter-atrial septum. Moreover, this study revealed a crosstalk between the Tbx5-positive endocardial cells subpopulation and the myocardium at the level of the septum primum to ensure the survival of cardiomyocytes, and ultimately to guarantee the maturation of the inter-atrial septum. Our results also confirmed the importance of genetic interdependence (Tbx5 and Gata4 as well as Tbx5 and Nos3) between different loci in the morphogenesis of the inter-atrial septum, and particularly the influence that the environment can have on the penetrance and the expressivity of atrial septal defects (ASDs) in the HOS. Besides, since the functions of a gene usually depend on the different isoforms it can generate, a second study focused more on the transcriptional aspect of Tbx5. This approach led to the discovery of 6 alternative transcripts exhibiting both common and specific functions. The characterization of 2 of these isoforms revealed the role of the long isoform (Tbx5_v1) in the regulation of cardiomyocytes growth during cardiogenesis, whereas the short isoform (Tbx5_v2), preferentially expressed in the mature heart, represses cell growth. It is thus entirely conceivable that TBX5 mutations leading to a C-terminal truncation increase the concentration of a mutated protein, which, like Tbx5_v2, interferes with the growth of certain cardiac structures. On the other hand, the divergence of functions of these isoforms, characterized by the disparities of subcellular localization and interaction with other cardiac cofactors, suggests that mutations affecting more one isoform would favor the emergence of a particular type of CHD. Finally, a last objective was to identify one or several molecular mechanism(s) by which Tbx5 regulates its main target gene, Nppa, and to extract clues that might clarify its transcriptional function. This objective required in a first place to identify the various cis-regulatory modules (CRMs) coordinating the transcriptional regulation of Nppa and Nppb, two natriuretic genes whose tandem organization and expression pattern during cardiogenesis are preserved in most vertebrates. The phylogenetic footprint approach employed to scan the Nppb/Nppa locus allowed the identification of three CRMs evolutionary conserved between different mammals species, one of which (US3) is specific to eutherians. This study confirmed that the regulation of the tandem genes Nppb/Nppa required the transcriptional activity of enhancers in complement to Nppa and Nppb promoters. The almost perfect concordance between the expression profiles of Tbx5 and these two natriuretic genes in mammals, suggests that the ventricular expression gradient of Tbx5 is interpreted by the recruitment of this factor to the identified enhancers. Altogether, the studies presented in this thesis allowed clarifying the profusion of Tbx5 cardiac functions. Some of these functions emanate from the alternative splicing of Tbx5, which favors the synthesis of isoforms endowed with specific properties. The diverse combinatorial interactions between these isoforms and other cardiac factors within the various cardiogenic progenitor subpopulations contribute to the emergence of distinct cardiac RRGs.

Diplonema papillatum est un organisme unicellulaire qui vit dans l’océan. Son génome mitochondrial possède une caractéristique spéciale: tous les gènes sont brisés en de multiples fragments qui s’appellent modules. Chaque module est codé par un chromosome différent. L’expression d’un gène exige des épissages-en-trans qui assemblent un ARN messager complet à partir de tous les modules du gène. Nous avons précédemment montré que le gène cox1 est encodé dans neuf modules avec six Us non encodés entre le module 4 et le module 5 de l’ARN messager mature [1]. Nous n’avons identifié aucune séquence consensus connue de site d’épissage près des modules. Nous spéculons qu’un ARN guide (gRNA) a dirigé l’épissage-en-trans du gène cox1 par un mécanisme qui est semblable à l’édition d’ARN par l’insertion/la suppression des Us chez les kinétoplastides, le groupe sœur des diplonémides. Nous avons trouvé que les six Us sont ajoutés au bout 3’ de l’ARN d’une façon semblable à ceux ajoutés par le TUTase lors de l’édition de l’insertion des Us chez les kinétoplastides. Nous avons construit des profils de gRNA de l’épissage-en-trans avec les expressions régulières basé sur notre connaissance des gRNAs dans l’édition d’ARN chez les kinétoplastides. Selon la complémentarité partielle entre le gRNA et les deux modules adjacents, nous avons généré des amorces pour RT-PCR visant à détecter des séquences qui sont assorties à un des profils de gRNA. Une expérience pilote in vitro n’a pas permis de reconstituer l’épissage-en-trans des modules 3, 4, et 5, suggérant que nous devons améliorer nos techniques. / Diplonema papillatum is a single cellular organism that lives in the ocean. Its mitochondrial genome possesses a special feature: all genes are fragmented in multiple pieces that are called modules and each module is encoded by a different chromosome. Expression of a gene requires trans-splicing that successfully assemble a full-length mRNA from all modules of the gene. It was previously shown that the cox1 gene is encoded in nine modules that are all located on different chromosomes; moreover, a stretch of six non-encoded Us exist between Module 4 and 5 in the mature mRNA [1]. No consensus sequence of known splicing sites was identified near the modules. We speculate that trans-splicing of the cox1 gene is directed by guide RNAs (gRNAs) via a mechanism that is similar to U-insertion/deletion editing in kinetoplastids, the sister group of diplonemids. We have detected populations of small RNA molecules that could come from mitochondrial. We found that the six Us were added to the 3’ end of Module 4 in a similar way to the Us added by the TUTase in kinetoplastid U-insertional editing. Sequence profiles of possible trans-splicing gRNAs were constructed in regular expressions based on our knowledge of known gRNAs in kinetoplastid RNA editing. According to the complementarity between the gRNA and the two adjacent modules, primers were designed for RT-PCR that aims to detect gRNA sequences. Among the results, we identified sequences that match or partially match the gRNA profiles. A pilot in vitro assay did not reconstitute trans-splicing of module 3, 4 and 5, suggesting that further technical improvements are needed.

Notre laboratoire a récemment découvert un mode d’expression des gènes mitochondriaux inédit chez le protozoaire biflagellé Diplonema papillatum. Outre son ADNmt formé de centaines de chromosomes circulaires, ses gènes sont fragmentés. Le gène cox1 qui code pour la sous unité I de la cytochrome oxydase est formé de neuf modules portés par autant de chromosomes. L’ARNm de cox1 est obtenu par épissage en trans et il est également édité par insertion de six uridines entre deux modules. Notre projet de recherche a porté sur une étude globale des processus post-transcriptionnels du génome mitochondrial de diplonémides. Nous avons caractérisé la fragmentation de cox1 chez trois autres espèces appartenant aux deux genres du groupe de diplonémides à savoir : Diplonema ambulator, Diplonema sp. 2 et Rhynchopus euleeides. Le gène cox1 est fragmenté en neuf modules chez tous ces diplonémides mais les modules sont portés par des chromosomes de taille et de séquences différentes d’une espèce à l’autre. L’étude des différentes espèces a aussi montrée que l’édition par insertion de six uridines entre deux modules de l’ARNm de cox1 est commune aux diplonémides. Ainsi, la fragmentation des gènes et l’édition des ARN sont des caractères communs aux diplonémides. Une analyse des transcrits mitochondriaux de D. papillatum a permis de découvrir quatre autres gènes mitochondriaux édités, dont un code pour un ARN ribosomique. Donc, l'édition ne se limite pas aux ARNm. De plus, nous avons montré qu’il n’y a pas de motifs d’introns de groupe I, de groupe II, de type ARNt ou d’introns impliqués dans le splicéosome et pouvant être à l’origine de l’épissage des modules de cox1. Aucune complémentarité significative de séquence n’existe entre les régions flanquantes de deux modules voisins, ni de résidus conservés au sein d’une espèce ou à travers les espèces. Nous avons donc conclu que l’épissage en trans de cox1 chez les diplonémides fait intervenir un nouveau mécanisme impliquant des facteurs trans plutôt que cis. L’épissage et l’édition de cox1 sont dirigés probablement par des ARN guides, mais il est également possible que les facteurs trans soient des molécules protéiques ou d’ADN. Nous avons élucidé les processus de maturation des transcrits mitochondriaux de D. papillatum. Tous les transcrits subissent trois étapes coordonnées et précises, notamment la maturation des deux extrémités, l’épissage, la polyadénylation du module 3’ et dans certains cas l’édition. La maturation des extrémités 5’ et 3’ se fait parallèlement à l’épissage et donne lieu à trois types d’intermédiaires. Ainsi, un transcrit primaire avec une extrémité libre peut se lier à son voisin. Cet épissage se fait apparemment sans prioriser un certain ordre temporel alors que dans le cas des transcrits édités, l’édition précède l`épissage. Ces études donnant une vue globale de la maturation des transcrits mitochondriaux ouvrent la voie à des analyses fonctionnelles sur l’épissage et l’édition chez D. papillatum. Elles sont le fondement pour finalement élucider les mécanismes moléculaires de ces deux processus post-transcriptionnels de régulation dans ce système intriguant. / Our laboratory has recently discovered an unprecedented mode of expression of mitochondrial genes in D. papillatum, a biflagellate protozoan. In addition to its mtDNA formed of hundreds of circular chromosomes, genes are fragmented. For example, the cox1 gene which encodes the subunit one of the cytochrome oxidase complex, comprises nine modules carried by nine chromosomes. The cox1 mRNA is obtained by trans-splicing and is also edited by the insertion of six uridines between two modules. My thesis project focused on the study of post-transcriptional processes in diplonemid mitochondria. We characterized the fragmentation of cox1 in three other species belonging to two diplonemids genera: Diplonema ambulator, Diplonema sp. 2 and Rhynchopus euleeides. The cox1 gene is fragmented into nine modules in all species but the modules are carried by chromosomes of different size and sequences from one species to another. We have shown that there are no motifs for classical introns, including spliceosomal and archaeal introns, as well as introns of group I and II, that might be implicated in the trans-splicing of cox1 modules. No significant complementarity exists between the flanking regions of two neighboring modules, nor are any conserved residues within a species or across species. We therefore concluded that the trans-splicing of cox1 in diplonemids involves a novel mechanism implicating trans rather than cis-factors. Trans-splicing and editing of cox1 probably involve guide RNAs, but it is also possible that the trans-factors are proteins or DNA molecules. The study of different species has also shown that the insertion of six uridines between two cox1 modules in mRNA is a shared trait in these diplonemids. We discovered that four other mitochondrial genes are also edited in D. papillatum and that RNA editing is not limited to mRNA. So, fragmented genes and RNA editing are common characteristics of diplonemids. We elucidated D. papillatum’s mitochondrial transcript maturation steps. All transcripts undergo three coordinated and precise processes including end processing, trans-splicing and / or editing and polyadenylation. The processing of the 5 'and 3' ends gives rise to three kinds of maturation intermediates. A primary transcript with one free end can bind to its neighbor and trans-splicing occurs without directionality. In the case of edited transcripts, editing precedes trans-splicing. These studies have prepared the ground for functional studies of trans-splicing and RNA editing with the long term goal to elucidate the molecular mechanisms involved in post-transcriptional regulation in this intriguing system.