Un contexte réglementaire de plus en plus strict en évaluation du risque écotoxicologique des milieux aquatiques exige de renforcer les outils d’évaluation. A ce titre, l’étude des biomarqueurs de génotoxicité doit être privilégiée, compte tenu du rôle central de l’ADN dans le fonctionnement du vivant. L’exposition à des agents génotoxiques peut générer des dommages par interaction directe avec l’ADN, mais aussi indirectement, en modulant l’efficacité des mécanismes de réparation de l’ADN, ou la régulation épigénétique de l’expression des gènes. Aujourd’hui, la plupart des biomarqueurs de génotoxicité visent les dommages primaires à l’ADN ou la mutagènicité mais les effets indirects sur sa fonctionnalité sont encore peu étudiés. Dans ce contexte, à l’issue d’une analyse bibliographique comprenant la rédaction d’une revue sur les mécanismes de réparation des dommages à l’ADN chez le poisson, ce travail visait au développement méthodologique de plusieurs biomarqueurs de génotoxicité à l’aide de trois lignées cellulaires pisciaires (RTL-W1, RTGill-W1 et PLHC-1). Pour ce faire, l’essai des comètes en conditions alcalines a été décliné sous plusieurs versions dans l’objectif d’utiliser une technique de base unique permettant la mesure complémentaire de plusieurs biomarqueurs de génotoxicité : les dommages primaires à l’ADN, les activités de réparation et le niveau de méthylation des cytosines du génome. Les résultats soulignent l’intérêt des trois lignées en évaluation de la génotoxicité 1) pour détecter in vitro de manière sensible des atteintes primaires à l’ADN de natures variées à de faibles concentrations grâce à un essai des comètes modifié par une étape de digestion enzymatique avec une glycosylase (Fpg), 2) pour évaluer l’influence des contaminants sur l’activité de réparation par excision de bases (BER) via la mesure de la capacité d’incision d’un ADN substrat porteur de lésions de type 8-oxoGua par des extraits cellulaires (essai BERc). Le niveau de méthylation des cytosines (5-meCyt) des lignées RTgill-W1et RTL-W1 a été mesuré par HPLC-MS-MS, leur valeur élevée permet d’envisager le paramètre méthylation comme biomarqueur potentiel. Ce volet nécessitera cependant des étapes de validations ultérieures car il n’a pas été techniquement possible de mettre au point un essai des comètes modifié pour la mesure du niveau de méthylation de l’ADN. Plusieurs activités de réparation des lignées RTgill-W1 et RTL-W1 ont été caractérisées et révèlent de bonnes aptitudes de réparation de type « Base Excision Repair » (BER) et « Photo Enzymatic Repair » (PER) et une plus faible capacité au « Nucleotide Excision Repair » (NER), soit un profil proche de celui décrit in vivo et sans différence marquée entre les deux lignées. Les biomarqueurs développés sur les lignées cellulaires de poisson au cours de ce travail ont également été appliqués à la mesure des effets génotoxiques d’effluents issus du lessivage de revêtements routiers. / In a context of growing awareness of aquatic pollution impacts, there is an increasing need to develop methods for hazards and risk assessment of pollutants. In this context, genotoxicity endpoints are of a great concern since even when evaluated at a sub-cellular or cellular level, impaired DNA structure, repair and/or functions can have delayed (long term) consequences at higher level of organization such as individual and population. Some genotoxicant can have direct effect on DNA, but they can also interact indirectly, by modulating the repair mechanism efficiency or by acting on epigenetic mechanism such as DNA méthylation level. An unrepaired DNA damage and epigenetic modification can both lead to functional alteration and/or genetic structure at the population level. However, most of the existing genotoxicity test only measure primary DNA damage induces by genotoxicant; thus there is a real need to develop new tools to investigate those different kinds of genotoxicity. For this purpose, this work aims at developing knowledge in DNA repair capacities of to fish cell lines, RTL-W1 and RTG-W1, in order to develop new genotoxicity biomarker, measuring primary DNA damage by means of modified version of the comet assay. The results highlights the interest of in vitro biological models such as fish cell lines for the assessment of environmental genotoxicity, especially using a Fpg-modified comet assay allowing a sufficient increase of the assay sensibility to detect genotoxicity at environmentally relevant concentration. Results also characterize BER and PER capacities as being efficient repair mechanism in those fish cell lines, whereas NER, although also present, seems less efficient. A new biomarker based on the BER incision capacities of cellular extracts has also been developed and used to assess the genotoxicity of environemental effluent.

Les histones désacétylases (HDACs) sont les principales cibles des médicaments épigénétiques anticancéreux actuellement approuvés par la FDA. Les HDACs jouent aussi un rôle important dans l'homéostasie des pathogènes eucaryotes. Par conséquent, une stratégie pour lutter contre les maladies négligées causées par ces pathogènes est de modifier les médicaments épigénétiques actuellement approuvés qui ciblent les HDACs. HDAC8 de Schistosoma mansoni (smHDAC8) est une cible médicamenteuse valable pour traiter la schistosomiase, deuxième maladie négligée mortelle après le paludisme. Les différences structurales entre les poches catalytiques des HDAC8 humaine et smHDAC8 ont permis la conception d'inhibiteurs sélectifs des schistosomes qui se lient dans une poche sélective unique à HDAC8. Ce travail de thèse montre comment cibler sélectivement des isoformes HDAC l'aide de structures à résolution atomique, et ouvre la porte à l'étude du mode d'action de HDAC8 au niveau fondamental. / Histone deacetylases (HDACs) are the major targets of currently FDA-approved anti-cancer epigenetic drugs. HDACs also play an important role in the homeostasis of eukaryotic pathogens. Hence, a strategy to tackle neglected diseases caused by these pathogens is to modify currently approved epigenetic drugs targeting HDACs. HDAC8 from Schistosoma mansoni (smHDAC8) was shown to be a valid drug target to treat schistosomiasis, second deadliest tropical disease after malaria. Structural differences between human HDAC8 and smHDAC8 catalytic pocket enabled the design of schistosome-selective inhibitors that bind in a HDAC8 selective pocket, which is unique to HDAC8 among the highly conserved HDAC isozymes. This thesis work shows how to target selectively related isoforms with the help of atomic resolution structures, and opens the door to the investigation of the mode of action of HDAC8 at the fundamental level.

Ce travail de thèse reposait sur l’hypothèse que la variabilité génétique des protéines « cibles » des médicaments immunosuppresseurs de la famille des inhibiteurs de la calcineurine (ICN ; ciclosporine et tacrolimus) pourrait expliquer une partie de la variabilité observée dans leur efficacité et toxicité. Une revue de la littérature nous a permis de lister un panel de variants génétiques au sein de la voie de la calcineurine, considérés comme étant de bons candidats pour des études en transplantation. Ces variants n’ont pas été associés au risque de rejet aigu ou d’infection grave dans une étude incluant 381 patients transplantés rénaux suivis durant un an après la transplantation. La variabilité pharmacodynamique des ICN a ensuite été explorée au travers des régulations épigénétiques. Une analyse de la méthylation de l’ADN après exposition médicamenteuse a été menée sur deux modèles. Premièrement, la lignée cellulaire JURKAT a été utilisée pour développer la méthode d’immunoprécipitation de l’ADN méthylé (MeDIP). Chez des souris traitées par ciclosporine et tacrolimus durant 3 mois, nous avons ensuite isolé les cellules cibles des médicaments, les lymphocytes T CD4 puis, après immunoprécipitation de l’ADN méthylé et analyse par séquençage pangénomique haut débit (MeDIP-seq, séquençeur Ion Proton), nous avons recherché les régions du génome présentant des différences de méthylation induites par le traitement. L’analyse différentielle bio-informatique a été menée à l’aide des outils SAMtools (Li et col., 2009), BEDtools (Quinlan and Hall, 2010), MACS2 (Zhang et col., 2008) et Diffbind (Stark and Brown, 2011 - Bioconductor). Sur l’ensemble du génome, nous n’avons identifié que 24 régions présentant un niveau de méthylation modifié par l’exposition au tacrolimus. Le promoteur du gène Calm2, codant pour l’isoforme 2 de la calmoduline, semble être davantage méthylé chez les souris traitées. Ces résultats préliminaires semblent prometteurs pour la découverte de biomarqueurs épigénétiques de la réponse thérapeutique aux immunosuppresseurs. / Inter-individual genetic variation might account for diverse efficacy and toxicity of calcineurin inhibitors (cyclosporin and tacrolimus). In particular, some variants located within genes coding for proteins of the calcineurin pathway can explain part of this variability. In this manuscript, a panel of candidate genes was selected based on bibliographic review and tested in a pharmacogenetics study encompassing 381 renal transplants followed for one year after surgery. None of these candidates was associated with the acute rejection or serious infection risks. Furthermore, the pharmacodynamic variability of these drugs was also investigated, exploring the use of epigenomics profiling as proximal readout of the calcineurin inhibition treatment. In particular, we investigated the impact of drug exposure on DNA methylation in two experimental models. Methylated DNA immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (MeDIP-seq, Ion Proton technology) was deployed in JURKAT cell line, used as in vitro model, and in CD4 T lymphocytes isolated from mice treated with either cyclosporin or tacrolimus for three months. After sequencing, the differentiated methylated regions caused by drug exposure were analyzed. Bioinformatics analyses were performed using SAMtools (Li et al., 2009), BEDtools (Quinlan and Hall, 2010), MACS2 (Zhang et al., 2008) and Diffbind (Stark and Brown, 2011 - Bioconductor). Overall, the genome-wide analysis revealed only 24 regions with a differentiated enrichment in DNA methylation after three month-tacrolimus treatment, indicating a targeted effect of these treatments on a subset of key genes. Of note, CALM2 promoter, coding for the calmodulin isoform 2 protein, showed significant hypermethylation in tacrolimus-treated mice. These preliminary results corroborate the interest in using DNA methylation as promising approach to identify candidate biomarkers for therapeutic drug monitoring in calcineurin inhibitor treatments.

Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Deregulation of the epigenome is associated with the initiation and progression of various types of human cancers. Here we investigated the level of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), expression and function of TET1 and TET2, and DNA methylation in parathyroid tumors and small intestinal neuroendocrine tumors (SI-NETs). In Paper I, an undetectable/very low level of 5hmC in parathyroid carcinomas (PCs) compared to parathyroid adenomas with positive staining, suggested that 5hmC may represent a novel biomarker for parathyroid malignancy. Immunohistochemistry revealed that increased tumor weight in adenomas was associated with a more aberrant staining pattern of 5hmC and TET1. A growth regulatory role of TET1 was demonstrated in parathyroid tumor cells. Paper II revealed that the expression of TET2 was also deregulated in PCs, and promoter hypermethylation was detected in PCs when compared to normal parathyroid tissues. 5-aza-2′-deoxycytidine treatment of a primary PC cell culture induced TET2 expression and further supported involvement of promoter hypermethylation in TET2 gene repression. TET2 knockout demonstrated a role for TET2 in cell growth and migration, and as a candidate tumor suppressor gene. In Paper III, variable levels of 5hmC, and aberrant expression of TET1 and TET2 were observed in SI-NETs. We demonstrated a growth regulatory role for TET1, and cytoplasmic expression with absent nuclear localization for TET2 in SI-NETs. In vitro experiments supported the involvement of exportin-1 in TET2 mislocalization, and suggested that KPT-330/selinexor, an orally bioavailable selective inhibitor of exportin-1 and nuclear export, with anti-cancer effects, could be further investigated as a therapeutic option in patients with SI-NETs. In Paper IV, DNA methylation was compared between SI-NET primary tumors and metastases by reduced representation bisulfite sequencing. Three differentially methylated regions (DMR) on chromosome 18 were detected and chosen for further analyses. The PTPRM gene, at 18p11, displayed low expression in SI-NETs with high levels of methylation in the presumed CpG island shores, and in the DMR rather than the promoter region or exon 1/intron 1 boundary. PTPRM overexpression resulted in inhibition of cell growth, proliferation, and induction of apoptosis in SI-NET cells, suggesting a role for PTPRM as an epigenetically deregulated candidate tumor suppressor gene in SI-NETs.

La mutation LMNA H222P est responsable de dystrophie musculaire d’Emery Dreifuss autosomale dominante (DMED-AD). Les patients atteints de DMED-AD souffrent d’une dystrophie musculaire et de cardiomyopathie dilatée. Les mécanismes moléculaires impliqués dans cette pathologie sont encore peu connus. Dans mes travaux de thèse, je me suis servie de cellules souches pluripotentes murines ainsi que de souris portant la mutation LMNA H222P afin d’étudier une approche thérapeutique potentielle. L'échocardiographie des souris LMNA H222P in utero révèle une dilatation des cœurs embryonnaires dès E13.5, ce qui indique une origine développementale de la maladie. La différenciation cardiaque des cellules souches pluripotentes murines est altérée dès le stade mésoderme. Aussi, les niveaux d’expression de Mesp1, snail1 et twist, gènes impliqués dans la transition épithélio-mésenchymateuse (TEM) sont diminués dans les cellules mutées en comparaison avec les cellules sauvages en cours de différenciation. L'immunoprécipitation de la chromatine dans les cellules différenciées révèle une diminution spécifique de la marque d'histone H3K4me1 sur des régions régulatrices de Mesp1 et Twist. L'inhibition de LSD1, une déméthylase spécifique de H3K4me1 rétablit le taux de la marque H3K4me1 sur les régions génomiques étudiées dans les cellules mutées. De plus, la baisse de LSD1 améliore la contraction des cardiomyocytes différenciés obtenus à partir des cellules souches embryonnaires portant la mutation LMNA H222P. L'inhibiteur de LSD1, utilisé dans les essais cliniques en cancérologie, pourrait être une molécule thérapeutique potentielle pour le traitement des laminopathies à phénotype cardiaque. / The LMNA H222P missense mutation in autosomal dominant Emery-Dreifuss muscular dystrophy patients is responsible for a muscular dystrophy and dilated cardiomyopathy. The molecular mechanisms underlying the origin and development of the pathology are still unknown. Herein, we used mouse pluripotent stem cells as well as a mutant mouse, all harboring the LMNA H222P mutation, to investigate potential therapeutic approaches. Echocardiography of LMNA H222P mice in utero revealed dilatation of heart as early as E13.5, pointing to a developmental origin of the disease. Cardiac differentiation of mouse pluripotent stem cells was impaired as early as the mesodermal stage. Expression of Mesp1, a mesodermal cardiogenic gene as well as snail1 and twist, involved in epithelial-mesenchymal transition (EMT) of epiblast cells, was decreased in mutated cells when compared to wild type in the course of differentiation. In turn, cardiomyocyte differentiation was impaired. Chromatin immunoprecipitation assays of the H3K4me1 epigenetic mark in differentiating cells revealed a specific decrease of this histone mark on regulatory regions of MesP1 and Twist. Downregulation or inhibition of LSD1, that specifically demethylates H3K4me1, rescued the epigenetic landscape in mutated cells. In turn downregulation of LSD1 rescued contraction in cardiomyocytes differentiated from LMNA H222P pluripotent stem cells. Our data point to LSD1 inhibitor, used in clinical trials in cancerology, as potential therapeutic molecule for laminopathies with a cardiac phenotype.

In Saccharomyces cerevisiae, telomeric and HM silencing requires the histone deacetylase Sir2 and the chromatin binding proteins Sir3 and Sir4, which interact to form the SIR complex. Silent chromatin formation begins with a nucleation step, followed by spreading of Sir proteins along chromatin. Overexpression of Sir3 extends silent chromatin domains, however the role of Sir protein interactions within silent chromatin extensions remains unknown. Here, we generated the Sir3 mutant, Sir3-4A, which cannot interact with Sir4 but is capable of forming silent chromatin extensions when overexpressed. Within extended silent domains, Sir2 and Sir4 enrichments are similar whether Sir3 or Sir3-4A is overexpressed, suggesting that silent chromatin extensions require Sir4 but not the interaction between Sir3 and Sir4. Tethering Sir3-4A at an HMR silencer cannot nucleate silencing in the absence of Sir3, suggesting that in addition to Sir3 recruitment, the Sir3-Sir4 interaction has at least one other function during silent chromatin nucleation.

Fluctuations, or "noise", can play a key role in determining the behaviour of living systems. The molecular-level fluctuations that occur in genetic networks are of particular importance. Here, noisy gene expression can result in genetically identical cells displaying significant variation in phenotype, even in identical environments. This variation can act as a basis for natural selection and provide a fitness benefit to cell populations under stress. This thesis focuses on the development of new conceptual knowledge about how gene expression noise and gene network topology influence drug resistance, as well as new simulation techniques to better understand cell population dynamics. Network topology may at first seem disconnected from expression noise, but genes in a network regulate each other through their expression products. The topology of a genetic network can thus amplify or attenuate noisy inputs from the environment and influence the expression characteristics of genes serving as outputs to the network. The main body of the thesis consists of five chapters: 1. A published review article on the physical basis of cellular individuality. 2. A published article presenting a novel method for simulating the dynamics of cell populations. 3. A chapter on modeling and simulating replicative aging and competition using an object-oriented framework. 4. A published research article establishing that noise in gene expression can facilitate adaptation and drug resistance independent of mutation. 5. An article submitted for publication demonstrating that gene network topology can affect the development of drug resistance. These chapters are preceded by a comprehensive introduction that covers essential concepts and theories relevant to the work presented.

La régulation transcriptionelle fine assurée par les Eléments Cis Régulateurs (ECR, eg. promoteurs et «enhancers») et les facteurs protéiques associés, est à la base de la mise en place et le maintien de l'identité tissulaire. Les modifications de la chromatine corrèlent avec l’activité d’ECRs et constituent l’épigénome de la cellule. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée aux transitions des modifications des histones (H3K4me1/me2/me3, H3K36me3, H3K27me3 and H3K9me2) accompagnant le développement précoce de la cellule T. Pour cela, j’ai utilisé un modèle murin reproduisant une étape cruciale de la thymopoïèse - la sélection β - et la technique d’Immunoprecipitation de la chromatine couplée à des puces à ADN (ChIP-chip). Au sein des enhancer connus, nos analyses ont mis en évidence une nouvelle signature épigénétique liée à leur activité. De plus, nous montrons que l'étendue d'enrichissement d’H3K4me2 au sein des régions géniques des gènes exprimés, constitue une signature épigénétique des gènes tissus spécifiques. Tout ceci a permis de mieux comprendre le rôle de l’épigénétique dans l'établissement et le maintien de l'identité cellulaire.Le traitement anti-cancer moderne est basé sur les analyses de différents marqueurs d'agressivité (MA) et par la suite, de l’établissement de la thérapie personnalisée. Durant la dernière partie de ma thèse, j’ai participé à un projet collaboratif avec le laboratoire de Thérapie Cellulaire de l’Institut Paoli Calmettes à Marseille, qui visait l’isolation des MA des Leucémies Aiguës Myéloïdes à caryotype normal (LMAcn) grâce aux études de profilage épigénétique (H3K27me3) des blastes des patients atteints de LMAcn. / Precise transcriptional regulation underlies the establishment and maintenance of cell type specific identity and is governed by dedicated DNA sequences (i.e., cis regulatory elements (CREs): eg.: promoters, enhancers) and transcription factors. Chromatin modifications (eg.: histone modifications, DNA methylation) impinge on CREs activity and constitute the epigenome of the cell.During my PhD, I was interested in the transitions of a set of histone modifications (H3K4me1/me2/me3, H3K36me3, H3K27me3 and H3K9me2), during one of the major checkpoints of thymopoiesis - the β-selection. I used a dedicated mouse model and Chromatin Immunoprecipitation coupled with microarrays (ChIP-chip) technique. Our data evidenced a previously unappreciated epigenetic signature linked to enhancer activity. In parallel, computational analyses of the patterns of gene body enrichment of H3K4me2 highlighted an epigenetic signature linked to the regulation of the tissue specific gene expression. Altogether, this enabled to deepen the relationship between chromatin states and regulation of cell type specific identity.Modern anticancer treatment is based on the analyses of a number of cancer aggressiveness markers (CAM) and results in a highly personalized therapy. Epigenetic profiling can constitute a powerful tool for CAM’s isolation. In the second part of the presented work, I participate in a collaborative project (with Cellular Therapy Centre at the Paoli Calmettes Institut, Marseille) aiming to isolate new CAM for Acute Myeloid Leukemia with normal karyotype (AMLnc) patients. For this purpose I performed epigenetic (H3K27me3) profiling of blasts of AMLnc.

Dans le cas d'une infection chronique par le virus de l'hépatite B (HBV), les traitements actuels (IFN et analogues de nucléos(t)ides) ne permettent pas d'éradiquer l'infection du fait de la persistance de l'ADNccc et des phénomènes de résistance observés chez les patients. S'agissant des traitements par l'IFN, 70 % des patients porteurs chroniques sont non-répondeurs. En effet, le virus HBV aurait développé des stratégies immunosuppressives pour établir une infection persistante. La compréhension des mécanismes impliqués dans cette viro-immunosuppression devient ainsi un enjeu majeur dans la mise en place de nouvelles stratégies antivirales. Les objectifs de ma thèse ont consisté en l'étude des relations précoces entre HBV et les hépatocytes. Nous avons pu mettre en évidence que cette absence d'activation du système immunitaire était le résultat, non pas d'une « invisibilité » du virus, mais d'une inhibition active des réponses IFN de type I/III et proinflammatoires, précocement établie par le virus HBV pour établir une infection persistante. De façon intéressante, nous avons pu démontrer que la protéine HBc était capable d'inhiber spécifiquement l'activation des voies IFN via son interaction avec les promoteurs des gènes de l'immunité innée et l'installation de marques épigénétiques (H3K9me2/3) répressives sur ces gènes par recrutement d'histone méthyl-transférases. Ces résultats prônent l'utilisation de stratégies antivirales utilisant des anticapsides dégradant et/ou prévenant la localisation nucléaire de la protéine HBc, restaurant ainsi le potentiel immunitaire des hépatocytes, pouvant dès lors être exacerbé par des agonistes de PRRs / Current treatments against Hepatitis B virus (HBV) chronic infection (IFNs and nucleos(t)ide analogues) are inefficient due to the persistence of cccDNA and emergence of viral resistance observed in infected patients. So far, up to 70 % of these patients are non responders to IFN treatments and it seems that the virus itself is able to counteract actively the host innate immune responses to establish a persistent infection. Therefore, the understanding of molecular mechanisms involved in this immunosuppression is crucial to design new immunotherapeutic strategies. In this context, the aim of my thesis was to investigate the early interactions between HBV and the hepatocyte antiviral responses. We have determined that HBV is not only a weak inducer of the host immune response, but is also able to inhibit very early and actively type I/III IFNs and proinflammatory pathways to persist in the hepatocytes. Furthermore, we have identified HBc protein as the major determinant involved specifically in the inhibition of IFN responses by counteracting host innate immune gene activations leading to repressive epigenetic marks such as H3K9/K27me3, or the recruitment of histone methyl transferase enzymes to the host IFN gene promoters. These results highlight new immunotherapeutic strategies and proposed the use of anticapsids components to degrade or block the nuclear localization of HBc proteins in order to restore a potent immune response in the hepatocytes. These anticapsid treatments may be also combined to PRRs agonists in order to improve the host antiviral state and HBV replication control