Staufen1 (STAU1) est une protéine de liaison à l’ARN essentielle dans les cellules non-transformées. Dans les cellules cancéreuses, le niveau d’expression de la protéine est critique et étroitement lié à des évènements d’apoptose et des altérations dans la prolifération cellulaire. Le dsRBD2 de STAU1 lie des facteurs protéiques qui sont fondamentaux pour les fonctions de la protéine, telles que la liaison aux microtubules qui garantit sa localisation au fuseau mitotique et l’interaction avec les coactivateurs de l’E3 ubiquitine-ligase APC/C, ce qui garantit la dégradation partielle de STAU1 en mitose. Nous avons cartographié un nouveau motif F39PxPxxLxxxxL50 (motif FPL) dans le dsRBD2 de STAU1. Ce motif est fondamental pour l’interaction de la protéine avec les co-activateurs de l’APC/C, CDC20 et CDH1, et sa dégradation subséquente. Nous avons ensuite identifié un total de 15 protéines impliquées dans le processus inflammatoire qui partagent cette séquence avec STAU1. Nous avons prouvé, par des essais de co-transfection et de dégradation, que MAP4K1, l’une des protéines qui partagent ce motif, est aussi dégradé via ce motif FPL. Cependant, le motif de MAP4K1 n’est pas la cible de l’APC/C. Des techniques de biotinylation des protéines à proximité de STAU1 nous ont permis d’identifier TRIM25, une E3 ubiquitine ligase impliquée dans la régulation immunitaire et l’inflammation, comme protéine impliquée dans la dégradation de STAU1 et de MAP4K1 via le motif FPL. Ceci suggère des rôles de STAU1 dans la régulation du processus inflammatoire, ce qui est consistent avec des études récentes qui associent STAU1 à ce processus. Nous considérons que le motif FPL pourrait être à la base de la coordination de la régulation des protéines impliquées dans l’inflammation et la régulation de la réponse immune. Nos études sur l’effet anti-prolifératif de STAU1 lorsque surexprimé dans les cellules transformées ont identifié le domaine dsRBD2 de STAU1 comme responsable de ce phénotype. Des mutants qui miment les différents états de phosphorylation de la serine 20, située dans le domaine dsRBD2, sont à la base des changements dans la régulation de la traduction et la dégradation des ARNm liés à STAU1. Ces changements dans la régulation des ARNm par STAU1 sont associés aux altérations dans la prolifération des cellules transformées observées lors de la surexpression de STAU1. Nous avons aussi découvert que, après la transfection de STAU1, la cellule déclenche rapidement des évènements d’apoptose, et que ces évènements sont aussi dépendants de l’état de phosphorylation de la sérine 20 dans dsRBD2 de STAU1. Ces résultats suggèrent que STAU1 est un senseur qui contrôle la balance entre la survie et la prolifération cellulaire et que l’état de phosphorylation de son dsRBD2 est à la base de ce contrôle. Nos résultats indiquent que le dsRBD2 de STAU1 est le domaine de régulation du niveau d’expression protéique et un modulateurs des rôles de la protéine comme facteur post-transcriptionnel. Nous pensons que cibler la régulation de STAU1 et ses fonctions situées dans son domaine dsRBD2, serait important dans l’étude des maladies qui impliquent des événements d’apoptose, d’inflammation et de prolifération cellulaire telles que le cancer. / Staufen1 (STAU1) is an RNA-binding protein essential in untransformed cells. In cancer cells, the level of expression of the STAU1 protein is critical and it has been closely linked to events of apoptosis and to cell proliferation impairments. STAU1's dsRBD2 binds protein factors that are fundamental for the protein's functions, such as microtubules components that ensure the protein localization to the mitotic spindle and its interaction with E3 ubiquitin-ligase APC/C coactivators, which guarantees the partial degradation of STAU1 during mitosis. By mapping a novel F39PxPxxLxxxxL50 motif (FPL motif) in the dsRBD2 of STAU1, responsible of the interaction with the co-activators of APC/C, CDC20 and CDH1, and its subsequent degradation, we were able to identify a total of 15 proteins mostly involved in the inflammatory process that share this sequence with STAU1. We proved, by co-transfection and degradation assays that, MAP4K1, one of the proteins that shares this motif, is also degraded via this FPL motif. However, we demonstrated that this motif on MAP4K1 is not the target of APC/C. Biotinylation techniques of proteins near STAU1 allowed us to identify TRIM25, an E3 ubiquitin ligase involved in immune regulation and inflammation, as a protein involved in the degradation of STAU1 and MAP4K1 via the FPL motif. This suggests roles of STAU1 in the regulation of the inflammatory events, which is consistent with recent studies that associate STAU1 with this process. We consider that the FPL motif could be at the basis of the coordination of the regulation of proteins involved in inflammation and the regulation of the immune response. Our studies on the anti-proliferative effect of STAU1 when overexpressed in transformed cells identified the domain dsRBD2 of STAU1 as responsible for this phenotype. Mutants 8 that mimic different phosphorylation states of serine 20, located in dsRBD2, underlie changes in the regulation of translation and degradation of STAU1-linked mRNAs. These STAU1-dependent changes in mRNA regulation are associated with the proliferation impairment of transformed cells that is observed upon overexpression of STAU1. We also discovered that, after STAU1 transfection, the cell rapidly triggers apoptotic events, and that these events are also dependent on the phosphorylation state of serine 20 in dsRBD2 of STAU1. These results suggest that STAU1 is a sensor that controls the balance between cell survival and cell proliferation and that the state of phosphorylation of its dsRBD2 is the basis of this control. Our results indicate that the dsRBD2 of STAU1 is the regulatory domain of the level of protein expression and a modulator of the protein roles as a post-transcriptional factor. We believe that targeting the regulation of STAU1 and its functions located in its dsRBD2 domain, would be important in the study of diseases that involve apoptosis, inflammation and cell proliferation events such as cancer.

Les gènes de l'isocitrate déshydrogénase (IDH) sont mutés dans 70 à 80 % des gliomes de bas grade. Les enzymes mutantes IDH qui en résultent présentent une activité de gain de fonction, produisant du R-2-hydroxyglutarate (R-2-HG), appelé oncométabolite en raison de son accumulation anormale dans les tumeurs et de ses activités oncogéniques potentielles. Parmi les caractéristiques du cancer telles que la reprogrammation métabolique et épigénétique, le stress réplicatif et la stabilité du génome ont été peu caractérisés dans les cancers IDH-mutants. Par conséquent, cette étude vise à étudier l'impact de l'accumulation de R-2-HG sur la réplication de l'ADN et sa contribution au stress réplicatif dans les cancers IDH-mutants. Nous avons étudié la dynamique de la fourche de réplication dans des astrocytes humains normaux et confirmé les résultats dans d'autres lignées cellulaires normales et cancéreuses. Nous avons constaté que le traitement exogène par l'octyl-R-2-HG entravait la progression de la fourche de réplication et retardait par conséquent l'achèvement de la phase S. L'évaluation des niveaux de phosphorylation des protéines RPA, CHK1 et H2AX a révélé que la réponse classique au stress réplicatif (RSR) n'était pas activée. Un état cellulaire dans lequel la réplication de l'ADN est altérée sans activation de la RSR a notamment été décrit dans la littérature comme résultant de l'activation de la réponse au stress intégré (ISR). Cependant, l'activation de la RSI dans les cancers mutants IDH n'est pas bien étudiée. En évaluant les marqueurs d'activation de la RSI, tels que la phosphorylation de l'eIF2α et les niveaux de protéines ATF4, nous avons montré que l'octyl-R-2-HG activait la RSI. De plus, le blocage de l'ISR a partiellement sauvé la fourche de réplication et la progression de la phase S. Nous avons répliqué cette étude oncométrique. Nous avons reproduit ce défaut de réplication de l'ADN lié à l'oncométabolite ainsi que l'effet de sauvetage partiel de l'ISRIB lors de l'induction de la surexpression du gène IDH mutant. Nos résultats indiquent que la production de R-2-HG associée à la mIDH peut inhiber la dynamique normale de réplication de l'ADN via la signalisation ISR. / The isocitrate dehydrogenase (IDH) genes are mutated in 70-80% of low-grade gliomas. The resulting IDH mutant enzymes exhibit gain-of-function activity, producing R-2-hydroxyglutarate (R-2-HG), which is referred to as an oncometabolite due to its abnormal accumulation in tumours and potential oncogenic activities. Among the hallmarks of cancer such as metabolic and epigenetic reprogramming, replicative stress and genome stability have been poorly characterized in IDH-mutant cancer. Therefore, this study aims to investigate the impact of R-2-HG accumulation on DNA replication and its contribution to replicative stress in IDH-mutant cancers. We investigated replication fork dynamics in normal human astrocytes and confirmed the results in other normal and cancer cell lines. We found that exogenous treatment with octyl-R-2-HG impaired replication fork progression and consequently delayed S-phase completion. Assessment of RPA, CHK1 and H2AX protein phosphorylation levels revealed that the classical Replicative Stress Response (RSR) was not activated. Among others, a cell state in which DNA replication was impaired without activation of the RSR has been described in the literature as a result of activation of the Integrated Stress Response (ISR). However, ISR activation in IDH-mutant cancers is not well studied. Hence, by assessing ISR activation markers such as eIF2α phosphorylation and ATF4 protein levels, we showed that octyl-R-2-HG activated ISR. Moreover, blocking ISR partially rescued the replication fork and S-phase progression. We replicated this oncometabolite-related DNA replication defect as well as ISRIB’s partial rescue effect upon induction of mutant IDH gene overexpression. Our results indicate that mIDH-associated R-2-HG production possibly inhibits normal DNA replication dynamics via ISR signalling.

Le complexe de pores nucléaires est le seul point d'entrée et de sortie du transport nucléocytoplasmique. Le panier nucléaire, l'un de ses principaux composants, s'est avéré impliqué dans la régulation des gènes et pourrait jouer un rôle majeur dans le contrôle de la qualité de l'export d'ARNm. Cependant, on sait peu de choses sur le fonctionnement du panier dans l'export nucléaire et la régulation des gènes. La principale composante structurelle du panier, la TPR (Translocated Promoter Region), est considérée comme l'acteur principal de la fonction de contrôle de la qualité du panier. Il reste à établir par quel mécanisme cette protéine assure la sélection des mRNP compétentes pour l'exportation. Malgré son implication connue dans le contrôle de la qualité des mRNP, l'exportation et la maturation, des questions demeurent: que fait vraiment le panier, qu'est-ce qui définit le contrôle qualité, comment le panier nucléaire est-il capable d'identifier l'ARN qui n'est pas compétent pour l'exportation et quels sont les rôles de différentes protéines composant le panier nucléaire. Récemment, il a été montré que la protéine TPR est présente dans deux populations, l'une dans le nucléoplasme et l'autre liée au NPC. Nos études préliminaires utilisant FRAP (Fluorescence Recorvery After Photobleaching) et la microscopie à molécule unique montrent que les molécules nucléoplasmiques de TPR ne sont pas impliquées dans un échange rapide avec les molécules assemblant avec les paniers ancrés au NPC et présentent différentes sous-populations basées sur la diffusion. L'analyse de études protéomiques préliminaires de notre laboratoire a révélé que l’interactome de TPR présente un enrichissement inattendu en protéines impliquées dans la maturation de l'ARNm, notamment l'épissage et les facteurs de traitement de l'extrémité 3'. Ces résultats pourraient suggérer des interactions complexes des nouvelles fractions nucléoplasmiques de TPR avec la machinerie de maturation des ARNms et nous amènent à poser les questions suivantes : Quelle est la fonction de la protéine du panier TPR lorsqu'elle n'est pas associée au NPC, et la TPR nucléoplasmique participe-t-elle au métabolisme de l'ARN nucléaire, reliant potentiellement les processus nucléaires au contrôle de la qualité au NPC? Mon projet s'est concentré sur l'étude des fonctions et de la dynamique de la protéine du panier nucléaire TPR à l'aide de techniques d'imagerie fluorescente en cellule vivante et de suivi de protéine unique. Nous avons pu identifier la dynamique et la localisation des différentes populations de TPR à partir des profils de diffusion de leurs trajectoires, qui peuvent être réparties en 5 catégories : Dirigée, Brownienne, Restreinte, Confinée et Butterfly. Nos données suggèrent que les trajectoires confinées pourraient être liée à l’association de TPR à la chromatine tandis que les browniennes représenteraient les molécules de TPR diffusant librement dans le noyau. De plus, nous avons constaté que les trajectoires dirigées et restreintes pourraient être liées à la maturation de l'ARN vu que ces deux sous-populations de TPR sont les plus affectées lorsque la transcription est inhibée. Également, en absence de la transcription par l’ARN polymérase II, TPR forme des granules dans le nucléoplasme, suggérant son implication durant la transcription active. Ainsi, notre étude montre que la fraction nucléoplasmique du TPR est subdivisée en fractions non associées aux pores hétérogènes qui pourraient jouer plusieurs rôles dans le métabolisme de l'ARN et la qualité de l'export. / The nuclear pore complex is the only entry and exit point for the nucleocytoplasmic transport. The nuclear basket, one of its main components, was shown to be involved in gene regulation and could play a major role in quality control of mRNA export. However, little is known on how the basket functions in nuclear export and gene regulation. The main structural component of the basket, TPR (Translocated Promoter Region), is thought to be the main actor in the quality control function of the basket. It is yet to be establish by which mechanism this protein ensures the selection of competent mRNPs for export. With all these involvement of the basket in quality control, export, and maturation, one question remains: What is the basket really doing, what defines quality control, how the nuclear basket can identify RNAs that aren’t competent for export, and what are the roles of the different proteins that make up the basket. Recently it was shown that TPR is present in two populations, one in the nucleoplasm and another bound at the NPC. Our preliminary studies using FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) and single molecule microscopy shows that the nucleoplasmic TPR molecules aren’t exchanging with the baskets anchored at the NPC and present different subpopulations based on diffusion. Analysis of preliminary proteomics studies from our laboratory revealed an interactome with an unexpected enrichment of proteins involved in mRNA maturation notably splicing and 3’ end processing factors. These results imply complex interactions of the new fractions of TPR and lead us to ask these following questions: What is the function of the basket protein TPR when it is not associated with the NPC, and does nucleoplasmic TPR participate in nuclear RNA metabolism, potentially linking nuclear processes to quality control at the NPC? My project focused on investigating the functions and dynamics of the nuclear basket protein TPR using fluorescent live-cell and single-protein imaging techniques. We were able to identify the dynamics and localization of the different populations of TPR based on the diffusion profiles of their trajectories, which can be divided in 5 categories: Directed, Brownian, Restricted, Confined and Butterfly. Our data suggest that the confined population might be linked to chromatin association of TPR, whereas the Brownian would represent the free diffusing TPR molecules in the nucleus. We further found that the Directed and Restricted trajectories could be linked to RNA maturation as these two subpopulations of TPR are most affected when transcription is inhibited. Moreover, in absence of transcription, TPR forms granules in the nucleus, suggesting its implication during active transcription. Altogether, our study shows that the nucleoplasmic fraction of TPR is subdivided in heterogenous diffusive fractions that could play several roles in the metabolism of RNA and quality of export

Les protéines de liaison à l'ARN (PLA) s'assemblent en complexes cytoplasmiques avec les ARNm pour contrôler la traduction locale des ARNm et le transport axonal. Ces processus sont essentiels au maintien de la survie des neurones et leur déficience est impliquée dans le développement de nombreuses maladies neurodégénératives, telles que la SLA. Il a été montré ultérieurement que la déplétion nucléaire de TDP-43, liée à la SLA, entraîne l'accumulation d'une variante épissée alternativement de la ribonucléoprotéine nucléaire hétérogène A1 (hnRNP A1). Cette isoforme, appelée hnRNP A1B, possède une région désordonnée (RID) et, dans le contexte neuronal, localise dans les neurites et dans le noyau, alors que la hnRNP A1 localise majoritairement dans le noyau. Ceci appui l'hypothèse que la hnRNP A1B peut avoir une fonction cytosolique dans les neurones qui n'est pas partagée avec la hnRNP A1. En outre, les hnRNP A1 et hnRNP A1B sont mutées dans de rares cas de SLA familiale, dont certaines mutations sont spécifiques à la hnRNP A1B. Jusqu'à présent, la littérature se concentre sur l'isoforme hnRNPA1 tandis que peu est répertorié sur la fonction de la hnRNP A1B. Ainsi, cette étude vise à déterminer et caractériser la fonction cytosolique de la hnRNP A1B dans les neurones. Puisque très peu est répertorié sur la hnRNP A1B, il a fallu tout d’abord déterminer des partenaires d’interaction. Ainsi, une immunoprécipitation utilisant un anticorps spécifique à la hnRNP A1B suivi d'une spectrométrie de masse (IP-MS) a été réalisée sur la moelle épinière de souris. Les résultats soulèvent que de nombreux interacteurs de la hnRNP A1B sont associés au trafic intracellulaire dépendant du cytosquelette. Les interactions avec KLC1/KIF5C/Myh9/DyncIHI ont été validées par des tests d'immunoprécipitation et de colocalisation. Aussi, l’impact de certains mutants hnRNP A1B associés à la SLA ont été étudiées au niveau des interactions avec les protéines motrices. Des expériences visant à évaluer comment la hnRNP A1B peut être transportée, ainsi que réguler le transport, sont en cours. Les résultats confirment que la hnRNP A1B peut avoir une fonction cytosolique dans les neurones pour le transport axonal/dendritique de l'ARNm. Des études futures exploreront cette nouvelle fonction dans le contexte de la SLA. / RNA-binding proteins (RBPs) assemble into cytoplasmic complexes with mRNAs to control mRNA local translation and axonal transport. These processes are essential for maintaining neuronal survival and their impairment is implicated in the development of many neurodegenerative diseases, such as ALS. We have discovered that TDP-43 depletion, linked to ALS, drives the accumulation of an alternatively spliced variant of heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1 (hnRNP A1). This isoform, termed hnRNP A1B, has an elongated prion-like domain (PrLD) and is present in neuronal processes, while hnRNP A1 is not. This finding supports a hypothesis that hnRNP A1B may have a cytosolic function in neurons that is not shared with hnRNP A1. In addition, hnRNP A1 and hnRNP A1B are mutated in rare cases of familial ALS with some mutations specific to hnRNP A1B. To date, the literature has mostly focused on the hnRNPA1 isoform and little is known about hnRNP A1B function. Thus, this study aims to identify and characterize the cytosolic function of hnRNP A1B in neurons. Since very little is known about hnRNP A1B, it was first necessary to identify interaction partners of the protein. Thus, immunoprecipitation using an antibody specific to hnRNP A1B followed by mass spectrometry (IP-MS) was performed on mouse spinal cord. Our results show that many hnRNP A1B interactors are associated with cytoskeletal-dependent intracellular trafficking. We then proceed to validate the interactions with the motor proteins KLC1/KIF5C/Myh9, by immunoprecipitation and proximity ligation assays. In addition, some hnRNP A1B ALS mutants were studied in the context of these interactions. Experiments to evaluate how hnRNP A1B may be transported, as well as regulate transport are currently underway. Our findings support that hnRNP A1B may have a cytosolic function in neurons in mRNA axonal/dendritic transport. Future studies will explore this novel function in the ALS context.

De l’organisme unicellulaire aux organismes multicellulaires complexes, la spécification cellulaires est un aspect fondamental de la biologie de l'adaptation et du développement. Les cellules souches pluripotentes (CSP) telles que les embryonnaires (CSE) fournissent un modèle approprié pour étudier les mécanismes de régulation et la spécification du sort des cellules chez les mammifères. Les ESC de souris sont connus pour être de nature hétérogènes et sont rapportées comme étant composées de multiples états de cellules souches ressemblant à des stades distincts du développement embryonnaire précoce, tels que totipotentes, pluripotentes, préparées et endoderme primitif. Malgré des études approfondies sur les CSE, les mécanismes moléculaires régulant leur hétérogénéité et l'état totipotent, en particulier, ne sont pas bien compris. Le travail présenté dans cette thèse utilise les CSE de souris comme modèle intéressant pour déterminer les mécanismes de signalisation et de régulation génique qui conduisent à l'hétérogénéité cellulaire et l'état cellulaire totipotent des CSE. Dans une première étude, nous avons utilisé la cytométrie en flux de masse pour analyser simultanément de multiples protéines régulatrices des cellules souches, en mettant l'accent sur les facteurs de transcription clés, les protéines de signalisation et les modificateurs de la chromatine qui régissent les CSE de souris. Les données de cytométrie en flux de masse ont révélé des variations dans les niveaux protéiques cellulaires individuels des régulateurs des cellules souches et ont souligné la vaste coactivation des voies de signalisation cellulaire dans des conditions de culture définies des CSE. De plus, l'application de la cytométrie en flux de masse a facilité l'identification d'états cellulaires distincts et de leurs caractéristiques moléculaires au sein des CSE, offrant des aperçus de leurs variations selon différentes conditions de culture, validant ainsi la présence d'hétérogénéité cellulaire dans les CSE de souris. Dans une deuxième étude, nous avons identifié la signalisation du facteur de croissance des os (BMP) comme inducteur de l'état totipotent. Nous avons également constaté que le rôle du BMP dans la totipotence est réprimé par la coactivation des voies FGF, NODAL et WNT. En inhibant ces voies coactivées, nous démontrons l'amélioration de l'induction de cellules totipotentes et la suppression des états préparés et d'endoderme primitif. Nous avons validé les changements d'état cellulaire au niveau cellulaire unique grâce à un séquençage d'ARNm à cellule unique. De plus, nous avons également démontré que les cellules totipotentes reprogrammées in vitro imitent les cellules totipotentes de l'embryon préimplantatoire avec la capacité de générer des blastocystes in vitro (Blastoïdes) et de s'intégrer dans les lignées embryonnaires et extra-embryonnaires chez la souris. Ensemble, ces résultats ont révélé les mécanismes de signalisation du BMP pour réguler à la fois l'état totipotent et l'hétérogénéité des CSE. Pour la troisième étude, nous avons utilisé les observations clés de nos données de cytométrie en flux de masse (première étude) pour évaluer le rôle des protéines régulatrices clés pour promouvoir l'état cellulaire totipotent. Ici, nous démontrons que NACC1, un régulateur transcriptionnel des CSE, agit également comme un régulateur important des cellules totipotentes. Après avoir identifié NACC1 comme un régulateur potentiel à partir de données de protéines cellulaires à cellule unique et de transcriptome en vrac, nous avons validé sa fonction en utilisant une suppression médiée par CRISPR en combinaison avec des conditions de reprogrammation cellulaire pluripotente à totipotente. Ensuite, nous avons intégré une combinaison d'approches génomiques pour étudier les changements au niveau du système dépendants de NACC1 dans le transcriptome, l'accessibilité à la chromatine et la liaison à l'ADN génomique. Ensemble, ces données ont révélé que NACC1 induit à la fois les programmes d'expression génique codant et de gènes de rétrotransposons pour promouvoir l'état cellulaire totipotent. Enfin, nous avons montré que NACC1 régule les éléments rétrotransposables MERVL-int et MT2_Mm pour moduler l'expression des gènes codants de l'état totipotent. En conclusion, cette thèse révèle la nature hétérogène des CSE de souris au niveau protéique à cellule unique, élucide le rôle significatif et les mécanismes de la voie de signalisation BMP pour réguler l'état totipotent et l'hétérogénéité des CSE, et dévoile les mécanismes de régulation génique dépendants de NACC1 pour promouvoir l'état totipotent. Ces résultats ouvrent la voie à des études ultérieures visant à comprendre la spécification de l'état des cellules souches et leur transition via la modulation des voies de signalisation / facteurs de transcription. De plus, ces mécanismes peuvent réguler l'état cellulaire totipotent chez l'homme, éclairant l'hétérogénéité cellulaire dans les CSE humaines et dans des contextes pathologiques, tels que le cancer. / From unicellular entities to intricate multicellular organisms, the omnipresent process of cell fate specification is a fundamental aspect of adaptation and developmental biology. Pluripotent stem cells (PSCs) such as embryonic stem cells (ESCs) provide a suitable model to study the regulatory mechanisms and cell fate specification in mammals. Intriguingly, mouse ESCs are known to be heterogenous in nature and are reported to consist of multiple stem cell states resembling distinct stages of early embryogenesis, such as totipotent, pluripotent, primed, and primitive endoderm. Despite extensive study of ESCs, the molecular mechanisms regulating their heterogeneity and the totipotent state in particular are not well understood. The work presented in this thesis utilizes mouse ESCs as an attractive model to delineate the signaling and gene regulatory mechanisms driving the cellular heterogeneity and the totipotent cell state of ESCs. In the first study, we utilized mass cytometry (cytometry by time of flight) to concurrently analyse multiple stem cell regulatory proteins, focusing on key transcription factors, signaling proteins, and chromatin modifiers that govern mouse ESCs. Mass cytometry data revealed variations in the single-cell protein levels of stem cell regulators and highlighted the extensive cross-activation of cell signaling pathways across defined culture conditions of ESCs. Furthermore, the application of mass cytometry facilitated the identification of distinct cell states and their molecular features within ESCs, offering insights into their variations across different culture conditions, thereby validating the presence of cellular heterogeneity in mouse ESCs. In the second study, we identified bone morphogenetic protein (BMP) signaling as an inducer of the totipotent state. We also found that, BMP’s role for totipotency is repressed by the cross-activation of FGF, NODAL, and WNT pathways. Through rational inhibition of these cross-activated pathways, we demonstrate the enhancement in the induction of totipotent cells and suppression of primed and primitive endoderm states. We validated the cell state changes at the single-cell level through single-cell mRNA sequencing. Furthermore, we also demonstrate that the in-vitro reprogrammed totipotent cells mimic the totipotent cells of preimplantation embryo with the potency to generate in-vitro blastocyst (Blastoids) and to integrate into both embryonic and extra-embryonic lineages in the mice. Together these results revealed BMP signaling mechanisms to regulate both the totipotent state and the heterogeneity of ESCs. For our third study, we utilized the key observations from our mass cytometry data (first study) to evaluate the role of key regulatory proteins to promote the totipotent cell state. Here, we demonstrate that NACC1, a transcriptional regulator of ESCs, also acts as an important regulator of totipotent cells. Following identification of NACC1 as a potential regulator from both single-cell protein and bulk transcriptome data, we validated its function using CRISPR-mediated knock-out in combination with pluripotent-to-totipotent cell reprogramming conditions. Next, we integrated a combination of genomic approaches to study the NACC1 dependent system’s level changes in the transcriptome, chromatin accessibility and genomic DNA binding. Together, these data revealed that NACC1 induces both the coding gene and retrotransposon gene expression programs to promote the totipotent cell state. Finally, we showed that NACC1 regulates MERVL-int and MT2_Mm retrotransposable elements to modulate the expression of coding genes of the totipotent state. In conclusion, this thesis reveals the heterogeneous nature of mouse ESCs at the single-cell protein level, elucidates the significant role and mechanisms of BMP signaling pathway to regulate the totipotent state and ESC heterogeneity, and unveils NACC1 dependent gene regulatory mechanisms to promote the totipotent state. These findings open the door for subsequent studies aimed at understanding stem cell state specification and their transition occurring via modulation of signaling pathways / transcription factors. Moreover, these mechanisms may regulate the totipotent cell state in humans, shedding light on the cellular heterogeneity in human ESCs and in disease contexts, such as cancer.

La douleur est une réponse normale qui nous permet de réagir en réponse à un trauma ou une situation qui pourrait potentiellement causer du tort à notre corps. Cette expérience désagréable n’est pas seulement physiologique, mais elle est aussi psychologique, émotionnelle et socio-culturelle. C’est ce qui la rend aussi complexe et subjective. Lorsque les mécanismes de modulation de la douleur ne fonctionnent plus normalement, ces douleurs peuvent devenir chroniques et être très handicapantes pour les patients. Dans cette étude, nous nous sommes plus particulièrement focalisés sur certaines maladies musculosquelettiques présentant de la douleur chronique telles que l’encéphalomyélite myalgique (EM), la fibromyalgie (FM) et l’arthrose ou l’ostéoarthrite (OA). L’EM et la FM sont deux maladies complexes et hétérogènes qui ont plusieurs symptômes qui se chevauchent. L’EM se caractérise généralement par de la fatigue chronique qui n’est pas soulagée par le repos et par des malaises après-effort (PEM). Alors que la FM se caractérise davantage par de la douleur chronique musculaire et articulaire. Puis, l’OA est une maladie débilitante où les patients ont une dégradation progressive du cartilage articulaire causant de la douleur chronique qui est davantage localisée au niveau des joints articulaires atteints. Actuellement, il n’existe pas de biomarqueurs idéaux pour mesurer le niveau de douleur pour ces maladies dont l’étiologie reste incertaine. Toutefois, une étude récente a démontré une diminution de l’expression du gène MFAP3 au niveau des cellules mononuclées du sang périphérique (PBMC) chez des individus présentant des états de douleur élevée à la suite d’un syndrome post-traumatique. Ce gène code pour une protéine appelée protéine associée aux microfibrilles 3 (MFAP3), qui participent dans plusieurs processus biologiques dont l’assemblage des microfibrilles, l'élastinogenèse et l'homéostasie tissulaire, et pourrait aussi être une protéine clé impliquée dans l’inhibition de la douleur. L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le rôle de la protéine MFAP3 et son implication dans la douleur dans ces différentes pathologies. L’expression du gène MFAP3 a été mesurée dans les PBMC de patients atteints d’EM, de FM, d’OA et de sujets sains (HC) et a été corrélée aux niveaux de douleur des patients. Une recherche in silico nous a permis d’identifier des récepteurs membranaires impliqués dans la douleur et pouvant interagir physiquement avec la protéine MFAP3 dont le récepteur HTR3A (le récepteur à sérotonine 3A). La spectroscopie cellulaire diélectrique a été utilisée pour valider cette interaction dans des cellules Jurkat (lymphocytes T humains immortalisés) dans des conditions standards. Il a été observé que la protéine MFAP3 inhibait la réponse induite par la stimulation de ce récepteur. Cette recherche pourrait éventuellement conduire au développement de nouvelles thérapies pour traiter la douleur associée à ces maladies musculosquelettiques. / Pain is a normal response that allows us to react in response to trauma or in situations that are dangerous or could potentially harm our body. This unpleasant experience is not only physiological, but it is also psychological, emotional, and socio-cultural. This is what makes it so complex and subjective. When pain modulation mechanisms no longer function normally, pain can become chronic and be very disabling for patients. In this study, we particularly focused on some musculoskeletal diseases presenting chronic pain such as myalgic encephalomyelitis (ME), fibromyalgia (FM) and osteoarthritis (OA). ME and FM are two complex and heterogeneous diseases that exhibit several overlapping symptoms. ME is characterized by a chronic fatigue that is not relieved by rest and post-exertional malaise (PEM), whereas FM is rather characterized by more chronic muscle and joint pain. In regard to OA, this debilitating disease leads to a progressive degradation of articular cartilage joints resulting in chronic pain which is more localized in the affected joints. Currently, there are no ideal biomarkers to measure pain level for these diseases and their etiology remains unclear. However, a recent study demonstrated a decrease in MFAP3 gene expression in peripheral blood mononuclear cells (PBMC) in individuals presenting high pain states following a post-traumatic syndrome. This gene encodes a protein called Microfibril-associated protein 3 (MFAP3), which participates in several biological processes including microfibril assembly, elastinogenesis and tissue homeostasis, and could also be a key protein involved in pain inhibition. The objectives of this study were to better understand the role of the MFAP3 protein and its involvement in pain in these different pathologies. MFAP3 gene expression was measured in PBMCs from patients with ME, FM, OA and healthy subjects (HC) and correlated with their pain levels. In silico research allowed us to identify membrane receptors involved in pain that can physically interact with the MFAP3 protein, including the HTR3A receptor (Serotonin receptor 3A). Cellular dielectric spectroscopy was used to validate this interaction in Jurkat cells (immortalized human T lymphocytes) under standard conditions. It was observed that MFAP3 inhibits the response induced by this receptor stimulation. This research could eventually lead to the development of new therapies to treat pain associated with these musculoskeletal diseases.

L'encéphalomyélite myalgique (EM) aussi connue sous le nom de syndrome de fatigue chronique est une maladie multi-systémique caractérisée par une fatigue extrême et un malaise post-effort, associés à d’autres symptômes débilitants comme l’intolérance orthostatique et des troubles du sommeil. L’EM se caractérise également par des altérations au niveau du système immunitaire et des perturbations du métabolisme énergétique affectant également le métabolisme des lipides. Dans ce contexte, nous avons exploré la contribution possible de la sphingomyéline phosphodiesterase acide 3b (SMPDL3B), produite par le gène SMPDL3B, dans la pathogénèse de l’EM. Celle-ci est une protéine multifonctionnelle ancrée par un groupement glycophosphatidylinositol (GPI) au niveau de la membrane des cellules. Cette enzyme a suscité notre intérêt compte tenu de son rôle dans la régulation de l'immunité innée et dans la conversion métabolique des sphingolipides en céramides. En effet, des études métabolomiques antérieures ont rapporté une réduction drastique des taux plasmatiques de céramides de 50% chez les hommes et de 86% chez les femmes souffrant d'EM. Nous proposons que l’élévation des niveaux circulants en SMPDL3B contribue à la sévérité de plusieurs symptômes chez les personnes atteintes d’EM (PAEM) via différents mécanismes. Les niveaux plasmatiques en SMPDL3B ont été mesurés par ELISA au niveau d’une cohorte prospective québécoise composée de PAEM (n=147) et de témoins sédentaires appariés pour le sexe et l’âge (n=62) n’ayant aucun antécédent familial d’EM. Nous avons également testé, par la même approche, des échantillons de plasma d’une cohorte norvégienne composée de PAEM (n=141). L’analyse de ces deux cohortes indépendantes a permis de mettre en évidence une corrélation positive entre les taux circulants en SMPDL3B et la sévérité des symptômes des PAEM. Nous avons également observé des niveaux plasmatiques plus élevés chez les PAEM atteints d’intolérance orthostatique lorsque comparés aux PAEM ne présentant pas ce symptôme. Finalement, nous avons confirmé à l’aide de la spectrométrie cellulaire diélectrique que la forme soluble de la protéine SMPDL3B peut se lier avec une haute affinité au récepteur de chimiokines CCR3 présent chez les cellules Jurkat et mis en évidence que l’occupation de ce récepteur par la chimiokine CCL11 ou un antagoniste pharmacologique pouvait augmenter la liaison de la forme soluble de la protéine SMPDL3B vers un autre récepteur membranaire qui demeure pour l’instant inconnu. Ce projet de maîtrise a permis une meilleure compréhension de la pathophysiologie de l’EM et de la contribution de la protéine SMPDL3B (forme ancrée et soluble) dans sa pathogénèse. / Myalgic encephalomyelitis (ME) also known as chronic fatigue syndrome is a multi-systemic disease characterized by extreme fatigue, post-exercise malaise, orthostatic intolerance, and sleep disturbances. ME is also characterized by alterations in the immune system and disturbances in energy metabolism that also affect lipid metabolism. In this context, we explored the possible contribution of sphingomyelin acid phosphodiesterase 3b, produced by the SMPDL3B gene, in the pathogenesis of ME. This is a multifunctional protein anchored by a glycophosphatidylinositol (GPI) group at the cell membrane. This enzyme has intrigued our interest given its role in the regulation of innate immunity and in the metabolic conversion of sphingolipids into ceramides. Indeed, previous metabolomics studies have reported a drastic reduction in plasma ceramide levels by 50% in men and 86% in women with ME. We propose that elevation of circulating levels of SMPDL3B increases the severity of several symptoms in persons with ME (PwME) via different mechanisms. Plasma levels of SMPDL3B were measured by ELISA in a Quebec cohort composed of PwME (n=147) and sedentary controls matched for sex and age (n=62) with no family history of ME. We also tested, by the same method, plasma samples from a Norwegian cohort composed of PwME (n=141). The analysis of these two independent cohorts revealed a positive correlation between SMPDL3B and the severity of PwME symptoms. We also observed higher plasma levels in PwMEs with orthostatic instability when compared to PwMEs without this symptom. Finally, we confirmed using dielectric cell spectrometry that the soluble form of the SMPDL3B protein can bind with high affinity to the CCR3 chemokine receptor present in Jurkat cells and demonstrated that the occupation of this receptor by the chemokine CCL11 or a pharmacological antagonist could increase the binding to another membrane receptor which remains unknown for the moment. This master's project allowed a better understanding of the pathophysiology of ME and the contribution of the SMPDL3B protein in its pathogenesis.

L’infarctus du myocarde (IM) survenant après l’obstruction de l’artère coronaire est la cause principale des décès cardiovasculaires. Après l’IM, le coeur endommagé répond à l’augmentation du stress hémodynamique avec une cicatrice et une hypertrophie dans la région non-infarcie du myocarde. Dans la région infarcie, la cicatrice se forme grâce au dépôt du collagène. Pendant formation de la cicatrice, les cardiomyocytes ventriculaires résidant dans la région non-infarcie subissent une réponse hypertrophique après l’activation chronique due au système sympathique et à l’angiotensine II. La cicatrisation préserve l’intégrité structurale du coeur et l'hypertrophie des cardiomyocytes apporte un support ionotropique. Le canal CaV1.2 joue un rôle dans la réponse hypertrophique après l’IM. L’activation du CaV1.2 déclenche la signalisation dépendante de Ca2+ induisant l’hypertrophie. Cependant, il est rapporté que l’ouverture des canaux potassiques (KATP) ATP sensitifs joue un rôle sélectif dans l’expansion de la cicatrice après IM. Malgré leur expression dans les coeurs mâles, les KATP fournissent une cardioprotection sexe dépendante limitant l’expansion de la cicatrice chez les femelles. L’administration de rapamycine aux rates ayant subi un infarctus produit l’expansion de la cicatrice, soutenant la relation possible entre la cible de rapamycine, mTORC1 et les KATP dans la cardioprotection sexe spécifique. Effectivement, dans les cellules pancréatiques α, la signalisation mTORC1 était couplée à l'activation du KATP. Cependant, le lien entre mTORC1 et les canaux KATP dans le coeur reste inconnu. L'objectif de la thèse est d’examiner le rôle des canaux ioniques dans le remodelage cardiaque post-IM, surtout des canaux calciques dans l'hypertrophie et d'élucider la relation entre les KATP et mTORC1. L’hypothèse première teste que l’hypertrophie médiée par le système sympathique des cardiomyocytes ventriculaires des rats néonataux (NRCM) produit une augmentation de l’influx calcique après une augmentation des sous-unités du CaV1.2. Le traitement de norépinéphrine (NE) quadruple l’amplitude du courant calcique type L et double l’expression protéique des sous unités de CaVα2δ1 et CaVβ3. L’hypertrophie des NRCM au NE s’associe à une augmentation de la phosphorylation de la Kinase ERK 1/2. Le β1-bloqueur metoprolol et l’inhibiteur ii de ERK1/2 diminuent l’effet de NE sur CaVα2δ1. Cependant, l’augmentation de CaVβ3 et de la réponse hypertrophique persiste. Ainsi, le signal β1-adrenergique à travers ERK augmente les sous-unités CaVα2δ1 outre l’hypertrophie. L’autre hypothèse examine la spécificité du sexe sur l’expansion cicatricielle médiée par rapamycine et l’influence de mTOR sur l’expression de KATP. Rapamycin augmente la surface de la cicatrice et inhibe la phosphorylation de mTOR chez les coeurs de femelles. Dans les coeurs des deux sexes, la phosphorylation de mTOR et l’expression de KATP, Kir6.2 et SUR2A sont similaires. Cependant, une grande inactivation de la tubérine et une faible expression de raptor sont détectées chez les femelles. Le traitement à l’ester de phorbol des NRCM induit l’hypertrophie, augmente la phosphorylation de p70S6K et l’expression SUR2A. Le prétraitement par Rapamycine atténue chacune des réponses. Rapamycin démontre un patron d’expansion cicatriciel sexe spécifique et une régulation de phosphorylation de mTOR dans IM. Aussi, l’augmentation de SUR2A dans les NRCM traités par PDBu révèle une interaction entre mTOR et KATP. / Myocardial infarction (MI) secondary to the obstruction of the coronary artery is the main cause of cardiovascular death. Following MI, the damaged heart adapts to the increased hemodynamic stress via formation of a scar and a hypertrophic response of ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium. In the infarcted region, a scar is formed via the rapid deposition of collagen. With ongoing scar formation, ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium undergo a hypertrophic response secondary to the chronic activation by the sympathetic system and angiotensin II. Collectively, scar formation and cardiomyocyte hypertrophy preserve the structural integrity of the heart and provide inotropic support, respectively. CaV1.2 channels play a significant role in the hypertrophic response post-MI. Notably, the activation of CaV1.2 channel triggers Ca2+-dependent signaling that induces hypertrophy. By contrast, the opening of ATP-sensitive potassium (KATP) channels was shown to partake in selective scar expansion following MI. Notwithstanding its expression in male hearts, KATP channels endow a sex-dependent cardioprotection limiting scar expansion selectively in females. Moreover, administration of the macrolide rapamycin to the infarcted female rat heart led to scar expansion, supporting the possible relationship between the target of rapamycin, mTORC1 and KATP channels in providing sex-specific cardioprotection. Indeed, in pancreatic-α cells, mTORC1 signaling was coupled to KATP channel activation. However, whether mTORC1 targets KATP channels in the heart remains unknown. Thus, the AIM of the thesis was to explore the role of ion channels in cardiac remodeling post-MI by specifically addressing the role of Ca channels in cardiomyocyte hypertrophy and elucidate the potential relationship between KATP channels and mTORC1 signaling. The first study tested the hypothesis that hypertrophied neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVMs) following sympathetic stimulation translated to an increase in calcium influx secondary to the augmentation of CaV1.2 channel subunits. NE treatment led to a 4-fold increase of L-type Ca2+ peak current associated with a 2-fold upregulation of CaVα2δ1 and CaVβ3 protein subunits in hypertrophied NRVMs. The hypertrophic response of NNVMs to NE was associated with the increased phosphorylation of extracellular regulated kinase (ERK1/2). The β1-blocker metoprolol and the ERK1/2 inhibitor suppressed NE-mediated protein upregulation of CaVα2δ1 whereas CaVβ3 upregulation and the hypertrophic response persisted. Therefore, sympathetic mediated β1-adrenergic signaling via ERK selectively upregulated the CaVα2δ1 subunit independent of NRVM hypertrophy. The second study tested the hypothesis that rapamycin-mediated scar expansion was sexspecific and mTOR influenced KATP channel subunit expression. Rapamycin administration translated to scar expansion and inhibited mTOR phosphorylation exclusively in females. In normal adult male and female rat hearts, mTOR phosphorylation and protein levels of KATP channel subunits Kir6.2 and SUR2A were similar. However, greater tuberin inactivation and reduced raptor protein levels were detected in females. NRVMs treated with a phorbol ester induced hypertrophy, increased p70S6K phosphorylation and SUR2A protein levels and rapamycin pretreatment attenuated each response. Thus, rapamycin administration to MI rats unmasked a sex-specific pattern of scar expansion and highlighted the disparate regulation of mTOR phosphorylation. Moreover, rapamycin-dependent upregulation of SUR2A in PDButreated NRVMs revealed a novel interaction between mTOR and KATP channel subunit expression

Les microtubules sont de longs polymères cylindriques de la protéine α, β tubuline, utilisés dans les cellules pour construire le cytosquelette, le fuseau mitotique et les axonèmes. Ces polymères creux sont cruciaux pour de nombreuses fonctions cellulaires, y compris le transport intracellulaire et la ségrégation chromosomique pendant la division cellulaire. Au fur et à mesure que les cellules se développent, se divisent et se différencient, les microtubules passent par un processus, appelé instabilité dynamique, ce qui signifie qu’ils basculent constamment entre les états de croissance et de rétrécissement. Cette caractéristique conservée et fondamentale des microtubules est étroitement régulée par des familles de protéines associées aux microtubules. Les protéines de kinésine-13 sont une famille de facteurs régulateurs de microtubules qui dépolymérisent catalytiquement les extrémités des microtubules. Cette thèse traite d’abord des concepts mécanistiques sur le cycle catalytique de la kinésine-13. Afin de mieux comprendre le mécanisme moléculaire par lequel les protéines de kinésine-13 induisent la dépolymérisation des microtubules, nous rapportons la structure cristalline d’un monomère de kinésine-13 catalytiquement actif (Kif2A) en complexe avec deux hétérodimères αβ-tubuline courbés dans un réseau tête-à-queue. Nous démontrons également l’importance du « cou » spécifique à la classe de kinésine-13 dans la dépolymérisation catalytique des microtubules. Ensuite, nous avons cherché à fournir la base moléculaire de l’hydrolyse tubuline-guanosine triphosphate (GTP) et son rôle dans la dynamique des microtubules. Dans le modèle que nous présentons ici, l’hydrolyse tubuline-GTP pourrait être déclenchée par les changements conformationnels induits par les protéines kinésine-13 ou par l’agent chimique stabilisant paclitaxel. Nous fournissons également des preuves biochimiques montrant que les changements conformationnels des dimères de tubuline précèdent le renouvellement de la tubuline-GTP, ce qui indique que ce processus est déclenché mécaniquement. Ensuite, nous avons identifié la kinésine de microtubule Kif2C comme une protéine associée à des modèles d’ADN imitant la rupture double brin (DSB) et à d’autres protéines de réparation DSB connues dans les extraits d’œufs de Xenope et les cellules de mammifères. Les cassures double brin d’ADN (DSB) sont un type majeur de lésions d’ADN ayant les effets les plus cytotoxiques. En raison de leurs graves impacts sur la survie cellulaire et la stabilité génomique, les DSB d’ADN sont liés à de nombreuses maladies humaines, y compris le cancer. Nous avons constaté que les activités PARP et ATM étaient toutes deux nécessaires pour le recrutement de Kif2C sur les sites de réparation de l’ADN. Kif2C knockout ou inhibition de son activité de dépolymérisation des microtubules a conduit à l’hypersensibilité des dommages à l’ADN et à une réduction de la réparation du DSB via la jonction terminale non homologue et la recombinaison homologue. Dans l’ensemble, notre modèle suggère que les protéines de kinésine-13 peuvent interagir avec les dimères de tubuline aux extrémités microtubules et modifier leurs conformations, moduler l’étendue des extrêmités tubuline-GTP dans les cellules et déclencher le désassemblage des microtubules. Ces deux modèles pourraient être des clés pour démêler les mécanismes impliqués dans le nouveau rôle de Kif2C dans la réparation de l’ADN DSB sans s’associer à des polymères de microtubules. / Microtubules are long, cylindrical polymers of the proteins α, β tubulin, used in cells to construct the cytoskeleton, the mitotic spindle and axonemes. These hollow polymers are crucial for many cellular functions including intracellular transport and chromosome segregation during cell division. As cells grow, divide, and differentiate, microtubules go through a process, called dynamic instability, which means they constantly switch between growth and shrinkage states. This conserved and fundamental feature of microtubules is tightly regulated by families of microtubule-associated proteins (MAPs). Kinesin-13 proteins are a family of microtubule regulatory factors that catalytically depolymerize microtubule ends. This thesis first discusses mechanistic insights into the catalytic cycle of kinesin-13. In order to better understand the molecular mechanism by which kinesin-13 proteins induce microtubule depolymerization, we report the crystal structure of a catalytically active kinesin-13 monomer (Kif2A) in complex with two bent αβ-tubulin heterodimers in a head-to-tail array. We also demonstrate the importance of the kinesin-13 class-specific “neck” in modulating Adenosine triphosphate (ATP) turnover and catalytic depolymerization of microtubules. Then, we aimed to provide the molecular basis for tubulin-Guanosine triphosphate (GTP) hydrolysis and its role in microtubule dynamics. Although it has been known for decades that tubulin-GTP turnover is linked to microtubule dynamics, its precise role in the process and how it is driven are now well understood. In the model we are presenting here, tubulin-GTP hydrolysis could be triggered via the conformational changes induced by kinesin-13 proteins or by the stabilizing chemical agent paclitaxel. We also provide biochemical evidence showing that conformational changes of tubulin dimers precedes the tubulin-GTP turnover, which indicates that this process is triggered mechanically. Next, we identified microtubule kinesin Kif2C as a protein associated with double strand break (DSB)-mimicking DNA templates and other known DSB repair proteins in Xenopus egg extracts and mammalian cells. DNA double strand breaks (DSBs) are a major type of DNA lesions with the most cytotoxic effects. Due to their sever impacts on cell survival and genomic stability, DNA DSBs are related to many human diseases including cancer. Here we found that PARP and ATM activities were both required for the recruitment of Kif2C to DNA repair sites. Kif2C knockdown/knockout or inhibition of its microtubule depolymerizing activity led to accumulation of endogenous DNA damage, DNA damage hypersensitivity, and reduced DSB repair via both non-homologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). Interestingly, genetic depletion of KIF2C, or inhibition of its microtubule depolymerase activity, reduced the mobility of DSBs, impaired the formation of DNA damage foci, and decreased the occurrence of foci fusion and resolution. Altogether, our findings shed light on the mechanisms involved in kinesin-13 catalyzed microtubule depolymerization. Our tubulin-GTP hydrolysis model suggests that kinesin-13 proteins may interact with tubulin dimers at microtubules ends and alter their conformations, modulate the extent of the GTP caps in cells and trigger microtubule disassembly. These two models could be keys to unravel the mechanisms involved in the novel role of Kif2C in DNA DSB repair without associating with microtubule polymers.

Le génome de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae a évolué à partir d'un ancêtre chez lequel une profonde décompaction du génome s'est produite à la suite de la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3, il y a environ 300 millions d'années. Il a été proposé que cette décompaction du génome a entraîné une capacité accrue des levures à évoluer par des mécanismes impliquant des taux de recombinaison méiotique et de mutation exceptionnellement élevés. La capacité à évoluer accrue qui en résulte pourrait avoir permis des adaptations uniques, qui en ont fait un eucaryote modèle idéal et un outil biotechnologique. Dans cette thèse, je présenterai deux exemples de la façon dont les adaptations locales et globales du génome se reflètent dans les changements des propriétés mécaniques de la chromatine qui, à leur tour, indiquent un phénomène de séparation de phase causée par les modifications post-traductionnelles des histones et des changements dans les taux d'échange des histones. Dans un premier manuscrit, je présente des preuves d'un mécanisme par lequel la relocalisation du locus INO1, gène actif répondant à la déplétion en inositol, du nucléoplasme vers l'enveloppe nucléaire, augmente la vitesse d'adaptation et la robustesse métabolique aux ressources fluctuantes, en augmentant le transport des ARNm vers le cytosol et leur traduction. La répartition d'INO1 vers l'enveloppe nucléaire est déterminée par une augmentation locale des taux d'échange d'histones, ce qui entraîne sa séparation de phase du nucléoplasme en une phase de faible densité plus proche de la périphérie nucléaire. J'ai quantifié les propriétés mécaniques de la chromatine du locus du gène dans les états réprimé et actif en analysant le déplacement de 128 sites LacO fusionnés au gène liant LacI-GFP en calculant diffèrent paramètres tel que la constante de ressort effective et le rayons de confinement du locus. De plus, j'ai mesuré l'amplitude et le taux d'expansion en fonction du temps du réseau LacO et j'ai observé une diminution significative du locus à l'état actif, ce qui est cohérent avec le comportement de ressort entropique de la chromatine décompactée. J'ai montré que les séquences d'éléments en cis dans le promoteur du locus, essentielles à la séparation de phase, sont des sites de liaison pour les complexes de remodelage de la chromatine effectuant l'acétylation des histones. Ces modifications de la chromatine entraînent une augmentation des taux d'échanges des sous-unités des complexes d'histones, et une séparation de phase locale de la chromatine. Enfin, je présente l’analyse de simulations in silico qui montrent que la séparation de phase locale de la chromatine peut être prédite à partir d'un modèle de formation/disruption des interactions multivalentes protéine-protéine et protéine-ADN qui entraîne une diminution de la dynamique de l'ADN. Ces résultats suggèrent un mécanisme général permettant de contrôler la formation rapide des domaines de la chromatine, bien que les processus spécifiques contribuant à la diminution de la dynamique de l'ADN restent à étudier. Dans un second manuscrit, je décris comment nous avons induit la « retro-évolution » de la levure en réintroduisant la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 par l'expression de deux gènes de la levure Schizosaccaromyces pombe Spswi6 et Spclr4. Le mutant résultant présente une augmentation de la compaction de la chromatine, ce qui entraîne une réduction remarquable des taux de mutation et de recombinaison. Ces résultats suggèrent que la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 pourrait avoir augmenté la capacité à l'évoluer. La stabilité inhabituelle du génome conférée par ces mutations pourrait être utile pour l'ingénierie métabolique de S. cerevisiae, dans laquelle il est difficile de maintenir des gènes exogènes intégrés pour les applications de nombreux processus biotechnologiques courants tels que la production de vin, de bière, de pain et de biocarburants. Ces résultats soulignent l'influence des propriétés physiques d'un génome sur son architecture et sa fonction globales. / The genome of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae evolved from an ancestor in which a profound genome decompaction occurred as the result of the loss of histone H3 lysine 9 methylation, approximately 300 million years ago. This decompaction may have resulted in an increased capacity of yeasts to evolve by mechanisms that include unusually high meiotic recombination and mutation rates. Resultant increased evolvability may have enabled unique adaptations, which have made it an ideal model eukaryote and biotechnological tool. In this thesis I will present two examples of how local and global genome adaptations are reflected in changes in the mechanical properties of chromatin. In a first manuscript, I present evidence for a mechanism by which partitioning of the active inositol depletion-responsive gene locus INO1 from nucleoplasm to the nuclear envelope increases the speed of adaptation and metabolic robustness to fluctuating resources, by increasing mRNA transport to the cytosol and their translation. Partitioning of INO1 to the nuclear envelope is driven by a local increase in histone exchange rates, resulting in its phase separation from the nucleoplasm into a low-density phase closer to the nuclear periphery. I quantified the mechanical properties of the gene locus chromatin in repressed and active states by monitoring mean-squared displacement of an array of 128 LacO sites fused to the gene binding LacI-GFP and calculating effective spring constants and radii of confinement of the array. Furthermore, I measured amplitude and rate of time-dependent expansion of the LacO array, and observed a significant decrease for the active-state locus which is consistent with entropic spring behavior of decompacted chromatin. I showed that cis element sequences in the promoter and upstream of the locus that are essential to phase separation are binding sites for chromatin remodeling complexes that perform histone acetylation among other modifications that result in increased histone complex exchange rates, and consequent local chromatin phase separation. Finally, I present analytical simulations that show that local phase separation of chromatin can be predicted from a model of formation/disruption of multivalent protein-protein and protein-DNA interactions that results in decreased DNA dynamics. These results suggest a general mechanism to control rapid formation of chromatin domains, although the specific processes contributing to the decreased DNA dynamics remain to be investigated. In a second manuscript, I describe how we retro-evolutionarily engineered yeast by reintroducing histone H3 lysine 9 methylation through the expression of two genes from the yeast Schizosaccaromyces pombe Spswi6 and Spclr4. This mutant shows an increase in compaction, resulting in remarkable reduced mutation and recombination rates. These results suggest that loss of histone H3 lysine 9 methylation may have increased evolvability. The unusual genome stability imparted by these mutations could be of value to metabolically engineering S. cerevisiae, in which it is difficult to maintain integrated exogenous genes for applications for many common biotechnological processes such as wine, beer, bread, and biofuels production. These results highlight the influence of the physical properties of a genome on its overall architecture and function.