Les mitochondries, organelles d’origine bactérienne, sont trouvées dans les cellules de presque tous les organismes eucaryotes. Elles exercent des rôles centraux dans les fonctions cellulaires tels que la production d’énergie, la signalisation cellulaire et l’apoptose et ont aussi un impact sur le vieillissement ainsi que certains cancers et maladies neurodégénératives. Chez l’humain et les mammifères en général, le génome mitochondrial est une molécule d’ADN double brin circulaire composée de 37 gènes. Seulement 13 de ces gènes codent des protéines mitochondriales et les 24 autres produisent 22 ARNt (ARN de transfert) et 2 ARNr (ARN ribosomal) qui sont nécessaires à la traduction des 13 protéines mitochondriales. L’ADNmt (ADN mitochondrial) étant très compact, ceci suggère qu’il y a peu de possibilités pour des nouveautés évolutives. Cependant, de récentes recherches ont permis de révéler la présence de près d’une dizaine de petits ORF (cadres de lecture ouverts) fonctionnels à l’intérieur des gènes mitochondriaux 12S ARNr et 16S ARNr. Ceci remet en question la complexité du génome mitochondrial et montre que son potentiel codant a été sous-estimé. Une analyse approfondie du génome mitochondrial humain a révélé la présence de 227 séquences potentiellement traduites en protéines mitochondriales à travers l’ensemble du génome. Dans cette étude, nous avons sélectionné 9 de ces 227 séquences afin de déterminer si effectivement, elles produisent un peptide identifiable. Pour ce faire, des expériences d’immunobuvardage, d’immunofluorescence et d’immunoprécipitation ont été réalisées sur des cellules HeLa et des cellules HEK293T. Ces expériences ont permis d’identifier une protéine mitochondriale alternative nommée MTALTND4 dont la séquence codante est trouvée à l’intérieur du gène nd4, dans un cadre de lecture alternatif. MTALTND4 est traduite dans la mitochondrie et peut être exportée dans le cytoplasme ainsi qu’à l’extérieur de la cellule puisqu’elle a été retrouvée dans le plasma humain. Bien que la fonction de cette protéine n’ait pas encore été confirmée, des résultats préliminaires indiquent qu’elle a un impact sur la respiration cellulaire. MTALTND4 diminue la respiration mitochondriale et nos résultats suggèrent que son action serait induite par l’hypoxie. La découverte de ce nouveau gène mitochondrial humain confirme que le potentiel codant du génome mitochondrial est beaucoup plus vaste que ce que nous croyions. Il existe fort probablement encore plusieurs autres protéines mitochondriales dont les effets pourraient se révéler d’une grande importance. En effet, plusieurs des protéines dérivées du génome mitochondrial découvertes à ce jour ont des impacts majeurs au niveau du métabolisme et pourraient agir en tant que molécules thérapeutiques importantes. Nos résultats amènent à repenser l’évolution et les pressions de sélection exercées sur le génome mitochondrial et ouvrent la porte à de nombreuses recherches futures qui permettront de re-caractériser le génome mitochondrial et d’avoir une compréhension encore plus approfondie du rôle des mitochondries dans les fonctions cellulaires. / Mitochondria, organelles of bacterial origin, are found in almost every eukaryotic organism and play a central role in cellular functions such as energy production, cellular signaling and apoptosis and are also known to have an impact on aging, certain cancers and neurodegenerative diseases. In humans and mammals in general, the mitochondrial DNA is a small double-stranded circular molecule coding for only 37 genes. Only 13 of them code for mitochondrial proteins and the other 24 genes produce 22 tRNAs (transfer RNA) and 2 rRNAs (ribosomal RNA) necessary for the translation of the 13 protein coding genes. The extremely compact nature of mtDNA (mitochondrial DNA) suggests that there is little room for evolutionary novelties. However, recent research revealed the presence of about ten small functional ORFs inside the mitochondrial genes 12S rRNA and 16S rRNA. This calls into question the complexity of the mitochondrial genome and shows that its coding potential has been greatly underestimated. A thorough examination of the human mitochondrial genome revealed the presence of 227 sequences potentially translated into mitochondrial alternative proteins across the entire genome. In this study, we selected 9 of the 227 sequences to determine if they indeed produce identifiable peptides. This was done by immunoblotting, immunofluorescence and immunoprecipitation experiments on HeLa and HEK293T cells. These experiments allowed us to identify one alternative protein named MTALTND4 whose coding sequence is found inside the nd4 gene, in an alternative sequence. MTALTND4 is translated inside the mitochondria and can be exported in the cytoplasm as well as outside the cell since it has been found in human plasma. Although the function of this protein has not yet been confirmed preliminary results indicate its impact on cellular respiration. MTALTND4 decreases mitochondrial respiration and our results suggest that its action could be induced by hypoxia. The discovery of this new human mitochondrial gene confirms that the coding potential of the mitochondrial genome is much larger than we thought. There are most likely still many other mitochondrial proteins whose effects could prove to be of great importance. Indeed, several of the mitochondrial derived proteins discovered to date have major impacts on metabolism and could act as important therapeutic molecules. Our results lead to rethink the evolution and the selection pressures exerted on the mitochondrial genome and open the door to many future researches which will allow to re-characterize the mitochondrial genome and to have an even deeper understanding of the role of mitochondria in cellular functions.

La migration cellulaire est un mécanisme important pour divers processus cellulaires tels que l’embryogenèse et la cicatrisation. De même, elle participe à des processus pathologiques notamment l’invasion des cellules malignes et la formation des métastases cancéreux. La dissémination métastatique est un processus très compliqué. L’acquisition du pouvoir migratoire invasif par la cellule maligne ainsi que son potentiel métastatique est gérée par le cytosquelette qui est dynamiquement modifié et contrôlé par des voies de signalisation intracellulaires. Cependant, la physiologie des cellules métastatiques et les cascades de signalisation qui les poussent à métastaser ne sont toujours pas comprises. Les protéines Ezrine, Radixine et Moésine (ERMs) jouent un rôle important dans l’organisation du cytosquelette au cortex cellulaire et elles sont des déterminantes clés de la migration cellulaire. Ainsi, une dérégulation à ce niveau peut conduire à une migration cellulaire aberrante. D’où l’implication des ERMs dans différents cancers agressifs et invasifs. Les ERMs sont régulées en aval de plusieurs acteurs cellulaires notamment les récepteurs membranaires. Plusieurs études ont rapporté que le récepteur au thromboxane A2 (RTXA2), un récepteur couplé à la protéine G (RCPG) favorise les métastases. Il a été décrit surtout dans le cadre de cancer du sein triple négatif (CSTN), l’un des cancers les plus mortels chez la femme. Les RCPG possèdent un rôle central dans presque toutes les fonctions physiologiques et constituent la plus grande famille des cibles médicamenteuses. D’une manière intéressante, les deux laboratoires de Dr Sébastien Carréno et Dr Michel Bouvier, ont découvert que le RTXA2 active les protéines ERMs à travers la GTPase RhoA. Dans ce projet de recherche on a identifié une nouvelle voie de signalisation liant le RTXA2 aux ERMs à travers la GTPase RhoA et la kinase SLK. Cette voie est impliquée dans la migration des cellules de cancer du sein triple négatif. Ainsi, on a pu démontrer que la moésine et la kinase SLK agissaient en aval du récepteur étudié pour favoriser la vitesse et la directionnalité de la migration des cellules de CSTN. 6 On a montré que la migration cellulaire dirigée en aval du RTXA2 est due à une polarité de la moésine au front de la migration. On a constaté aussi que la moésine est responsable d’une polarité des filaments d’actine au front de la migration suite à une activation du récepteur. Ce travail a mis en évidence une nouvelle cascade de signalisation importante pour la migration des cellules cancéreuses agressives triples négatives du sein ce que pourrait être une nouvelle cible des thérapies anti-métastatiques. / Cell migration is an important mechanism for various cellular processes such as embryogenesis and cicatrization. Likewise, it controls pathological processes including the invasion of malignant cells and the formation of metastases. Metastasis is a very complicated process. The acquisition of invasive migratory power by a malignant cell as well as its metastatic potential is regulated by the cytoskeleton which is dynamically modified and controlled by intracellular signaling pathways. However, metastatic cells physiology and the cascades causing their metastases are not clear yet. Ezrin, Radixin and Moesin (ERMs) proteins have an important role in organizing the cytoskeleton at the cell cortex and they are key determinants of cell motility. Thus, a deregulation at this point may lead to an aberrant cell migration. Hence, the involvement of ERMs in various aggressive and invasive cancers. ERMs are regulated downstream of several cellular actors in particular membrane receptors. Several studies have reported that the thromboxane A2 receptor (TXA2R), a G protein coupled receptor (GPCR) promotes metastasis. It has been described especially in the context of triple negative breast cancer (TNBC), one of the deadliest cancers in women. GPCR have a central role in almost all physiological functions and constitute the largest family of drug targets. Interestingly, the two laboratories of Dr Sébastien Carréno and Dr Michel Bouvier, have discovered that the TXA2R activates ERM proteins through the GTPase RhoA. In this research project, we have identified a new signaling pathway linking the TXA2 receptor to ERMs via RhoA and the kinase SLK. This pathway is involved in the migration of triple negative breast cancer cells. Thus, we demonstrated that moesin and SLK acted downstream of the receptor to promote the speed and directionality of TNBC cells migration. We discovered that the directed cell migration downstream of TXA2R is due to a polarization of moesin at the leading edge. We also observed that moesin is responsible for actin filaments polarity at the leading edge following an activation of the receptor. So, this work has revealed a new signaling cascade important for the migration of aggressive triple negative breast cancer cells which could be a new target for anti-metastatic therapies.

L’obésité est un facteur de risque important du diabète de type 2 et des maladies cardio- vasculaires. Durant le développement de l’obésité, le remodelage pathologique du tissu adipeux et l’inflammation locale contribuent à la mise en place d’une inflammation systémique, une accumulation de gras ectopique et une résistance à l’insuline. Les macrophages jouent un rôle important dans la régulation des voies signalétiques inflammatoires qui sont liées à leurs différents états d’activation. En effet, l’influence de diverses adipokines, cytokines et hormones ainsi que la disponibilité des nutriments vont induire leur polarisation en un phénotype soit pro- inflammatoire M1, soit anti-inflammatoire M2. De ce fait, comprendre les mécanismes et acteurs impliqués dans la polarisation des macrophages résidents du tissu adipeux vers un phénotype anti-inflammatoire M2 pourrait apporter une stratégie pour traiter les complications de l’obésité. La suppression de l’α/β-hydrolase domain-6 (ABHD6), une monoacylglycérol lipase, a démontré chez la souris des effets bénéfiques contre l’obésité, le diabète de type 2 et d’autres maladies inflammatoires. Cependant, le rôle précis de l’ABHD6 dans l’activation et la polarisation des macrophages en conditions inflammatoires, ainsi que les mécanismes sous-jacents, ne sont pas clairement définis. Le but de cette étude était d’investiguer : 1) le rôle immuno-métabolique de l’ABHD6 dans l’inflammation chronique du tissu adipeux induite par l’obésité chez la souris, et 2) le rôle régulateur de l’ABHD6 dans l’activation et la polarisation des macrophages dans des conditions inflammatoires aiguës induite par le lipopolysaccharide (LPS). En employant des approches pharmacologiques et génétiques, nous avons démontré que la délétion globale de l’ABHD6, chez les souris rendues obèses par une diète riche en gras, permet de maintenir un tissu adipeux sain au niveau immuno-métabolique. En effet, les souris ABHD6-KO nourries avec une diète riche en gras montrent une expression réduite de l’expression des marqueurs pro- inflammatoires (Mcp1 and Cd11c), fibrotiques (Col5a1) et hypoxiques (Hif1a) dans tous leurs tissus adipeux (viscéral, sous-cutané et brun). Le nombre de macrophages pro-inflammatoires M1 est aussi diminué dans les tissus adipeux viscéral et brun des souris KO nourries à la diète grasse. De plus, la suppression de l’ABHD6 a changé la polarisation des macrophages d’un phénotype pro-inflammatoire M1 vers un phénotype anti-inflammatoire M2 dans des lignées cellulaires de macrophages (RAW264.7 et J774A.1) et des macrophages péritonéaux primaires de souris traités avec le LPS. Collectivement, nos résultats supportent la vision que l’ABHD6 a un rôle pro-inflammatoire dans induit par la diète riche en gras ou le LPS. Ces observations nous ont permis d’obtenir un aperçu du rôle de l’ABHD6 dans les voies immuno-métaboliques des tissus adipeux et suggèrent que l’ABHD6 pourrait être une cible thérapeutique intéressante pour contrer l’inflammation et les complications de l’obésité. / Obesity is a major risk factor for type 2 diabetes (T2D) and cardiovascular diseases. Pathologic adipose tissue (AT) remodeling and local inflammation contribute to systemic inflammation, ectopic fat accumulation and insulin resistance in obesity. Macrophages play an important role in inflammatory pathways, and these cells possess different activation states, M1 pro-inflammatory and M2 anti-inflammatory, influenced by adipokines, cytokines, hormones, and fuel availability. Thus, understanding the mechanisms and players involved in AT-resident macrophage polarization towards an anti-inflammatory M2 phenotype may provide a strategy to treat obesity complications. Suppression/deletion of the monoacylglycerol lipase α/β-hydrolase domain-6 (ABHD6) was previously shown to have beneficial effects against obesity, T2D, and other inflammatory disorders. However, it is not precisely known if ABHD6 plays any direct role in macrophage activation and polarization under inflammatory conditions, and if it does, the underlying mechanisms are yet to be defined. The aim of this study is to investigate: 1) the immunometabolic role of ABHD6 in obesity-induced chronic AT inflammation in mice, and 2) the regulatory role of ABHD6 in macrophage activation/polarization under conditions of acute lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation. Employing pharmacological and genetic approaches, we demonstrate that global ABHD6 deletion maintains AT immunometabolic health during diet-induced obesity in mice. High-fat-diet(HFD)-fed whole-body ABHD6-KO (HFD-ABHD6- KO) mice exhibit lower expression of pro-inflammatory (Mcp1 and Cd11c), fibrosis (Col5a1) and hypoxia (Hif1a) markers in all fat depots. The pro-inflammatory M1-macrophages in the visceral and brown fat depots are also reduced in HFD-ABHD6-KO mice. Additionally, ABHD6 suppression switches LPS-induced macrophage polarization from an M1-like phenotype towards an anti- inflammatory M2 state in the macrophage cell lines (RAW264.7 and J774A.1) and in primary peritoneal macrophages. Collectively, our results support the view that ABHD6 has a pro-inflammatory role under conditions of HFD- and LPS-induced inflammation. These findings provide an insight into the role of ABHD6 in AT immunometabolic pathways in obesity, and suggest ABHD6 as a therapeutic target for inflammation and obesity-related complications.

Les microtubules, composants clés du cytosquelette des cellules eucaryotes, sont des polymères de tubuline très dynamiques et impliqués dans une grande variété de processus cellulaires. Leur rôle essentiel dans le cycle cellulaire a fait d’eux une cible validée en thérapie anticancéreuse. Malgré l’efficacité clinique des agents ciblant les microtubules (ACM), les effets secondaires compliquent l’utilisation. Nous avons cherché à identifier des vulnérabilités génétiques qui peuvent être exploitées pour diminuer la dose requise tout en maintenant l'efficacité, et donc réduire les effets secondaires. En collaboration avec le laboratoire Tyers à l’IRIC, nous avons réalisé un criblage génétique basé sur la létalité synthétique avec des agents antiprolifératifs, dont les ACMs. Nous avons sélectionné les gènes dont l’extinction sensibilisait les cellules aux ACMs. J’ai confirmé que l’invalidation de chacun des gènes GNA13, SEPHS1, DLGAP5 et des gènes QRICH1, DLGAP5 sensibilisaient les cellules NALM6 au docétaxel et la vincristine respectivement. En revanche, aucune invalidation de ces gènes n'a augmenté la sensibilité au docétaxel dans les cellules U2OS. En plus de son effet avec le docétaxel, le gène GNA13 s’est distingué être une cible particulièrement intéressante. En effet, la perte complète de GNA13 augmente considérablement la fréquence et la gravité d’erreurs de ségrégation des chromosomes dans les cellules U2OS. Cette augmentation n’a pas été rectifiée à la suite d’un traitement avec la molécule UMK57, connue pour réduire le taux d’erreurs de ségrégation des chromosomes. De manière intéressante, la perte complète de GNA13 augmente également la fréquence des erreurs de ségrégation des chromosomes dans les cellules RPE1, cellules non-cancéreuses et stables au niveau chromosomique. Cela suggère que la perte complète de GNA13 ne nécessite pas de transformation ni d'instabilité chromosomique, comme conditions préalables pour exacerber l'instabilité chromosomique. L’ensemble de ces résultats ouvre une nouvelle voie de stratégies thérapeutiques anticancéreuses, à savoir, le traitement des cancers présentant une mutation des gènes QRICH1, DLGAP5, GNA13, et SEPHS1 avec de faibles doses d’ACMs. En particulier, GNA13 est fréquemment muté dans certains lymphomes. De plus, les résultats obtenus démontrent que la perte complète de GNA13 aggrave l’instabilité chromosomique et par conséquent, pourrait être impliquée dans la cancérogenèse. / Microtubules, key components of the eukaryotic cytoskeleton, are highly dynamic polymers of tubulin implicated in a wide variety of cellular processes. Their essential roles in the cell cycle have made them a valid target in cancer therapy. Despite the clinical efficacy of microtubule targeting agents (MTA), their use is hampered by side effects. We sought to identify genetic vulnerabilities that can be exploited to decrease the required dose while maintaining efficacy, and therefore reduce side effects. In collaboration with the Tyers laboratory at IRIC, we carried out a genetic screen based on synthetic lethality with antiproliferative agents, including MTAs. We have selected genes whose knockout sensitized cells to MTAs. I have confirmed that the knockout of GNA13, SEPHS1, DLGAP5, and QRICH1, DLGAP5, sensitize NALM6 cells to docetaxel and vincristine respectively. However, no knockout of these genes increased the sensitivity to docetaxel in U2OS cells. In addition to its effect with docetaxel, GNA13 stood out as being a particularly exciting target. GNA13 knockout increased the frequency and severity of chromosome segregation errors in U2OS cells. This increase was not corrected following treatment with UMK57, a molecule known to reduce the rate of chromosome segregation errors. Interestingly, the GNA13 knockout also increased the frequency of chromosome segregation errors in non-cancerous and chromosomally stable RPE1 cells. This suggests that GNA13 does not require transformation nor chromosomal instability as prerequisites for exacerbating chromosomal instability. Overall, these results open up a new avenue of anticancer therapeutic strategies, namely, the treatment of cancers presenting mutations in QRICH1, DLGAP5, GNA13, and SEPHS1 with lower doses of MTAs. In particular, GNA13 is frequently mutated in certain lymphomas. In addition, the results obtained demonstrate that GNA13 knockout exacerbates chromosomal instability and, therefore, could be involved in carcinogenesis.

La restriction de croissance intra-utérine (RCIU) est une conséquence immédiate d’un environnement utérin défavorable qui prédispose les individus atteints à de plus grands risques de développer des maladies cardiométaboliques une fois adulte. L’environnement fœtal s’ajoute ainsi à l’hérédité, au sexe et au mode de vie comme facteur déterminant de la santé cardiométabolique. Afin de mieux comprendre les différents aspects de cette prédisposition, notre laboratoire a développé un modèle animal de RCIU asymétrique recréant une diminution de la perfusion placentaire. La caractérisation des animaux a mis en évidence des différences dans la physiologie cardiovasculaire des individus adultes avec des dissemblances selon le sexe, ainsi qu’une différence dans l’expression de plusieurs gènes impliqués dans le métabolisme lipidique chez le fœtus. A partir de ces données, nous émettons l’hypothèse que le cœur fœtal RCIU subit une reprogrammation métabolique, conséquence du stress causé par l’environnement fœtal défavorable. Nous nous attendons aussi à une régulation différente du métabolisme entre les mâles et les femelles. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons tout d’abord déterminé la contribution du métabolisme lipidique dans les cœurs fœtaux RCIU ainsi que sa régulation. Ensuite, nous avons approfondi les conséquences d’un métabolisme lipidique élevé dans les cœurs fœtaux RCIU. Le sexe des animaux a été pris en compte dans nos travaux. L’ensemble de ces travaux démontrent une plus grande utilisation du métabolisme lipidique chez les fœtus RCIU, impliquant une activation du récepteur nucléaire PPARα et du coactivateur PGC1a par une abondance d’acides gras (AG) à longue chaîne dans les cœurs fœtaux RCIU. L’activation de PPARα entraine une augmentation de l’expression de nombreux gènes impliqués dans l’oxydation des AG et de la biogenèse mitochondriale. Les mitochondries des cœurs fœtaux RCIU femelles montrent de plus grandes capacités de production d’ATP, comparées aux femelles témoins, mais aucune différence n’a été montrée chez les mâles. Un tel dysmorphisme a également été observé dans l’augmentation des capacités d’oxydation des AG à très longues chaînes chez les femelles RCIU, mais pas chez les mâles. L’augmentation de l’expression de Pdk4 dans les cœurs fœtaux RCIU confirme le fort métabolisme lipidique et suggère une abondance d’acétyl-CoA, molécule intermédiaire à plusieurs voies métaboliques, dont la production de corps cétoniques. Nous avons montré une synthèse intracardiaque de corps cétoniques chez les fœtus RCIU, sans élévation de la cétolyse, causant une accumulation d’acétoacétate et de β-hydroxybutyrate (bHB). Enfin, l’exploration des rôles signalétiques du bHB nous a permis d’observer une régulation positive de ce corps cétonique sur le métabolisme lipidique, par une activation de PPARα. En conclusion, ce projet de thèse a contribué à mieux comprendre les mécanismes d’adaptation métabolique des cœurs fœtaux à une RCIU causée par une diminution de la perfusion placentaire en fonction du sexe. Notre travail ouvre également la voie à de nouvelles avenues de recherche sur le rôle signalétique des corps cétoniques et des AG à longue chaîne dans la programmation des maladies cardiométaboliques. / An unfavorable womb environment often leads to intrauterine growth restriction (IUGR), which is known to increase the likelihood of developing cardiometabolic diseases later in life. The fetal environment is thus added to other factors such as heredity, sex and lifestyle that have an impact on cardiometabolic health. To investigate IUGR predisposed condition, our laboratory has developed an animal model of asymmetric IUGR by decreasing placental perfusion. Our findings using this animal model have highlighted sex-dependent differences in the cardiovascular physiology of IUGR adults, and specific changes in the expression of key genes involved in lipid metabolism in IUGR fetuses. Therefore, we hypothesize that the IUGR fetal heart undergoes a metabolic remodeling in response to the stress caused by the unfavorable uterine environment. We also expect selective metabolic changes in males and females. To verify this hypothesis, we addressed the contribution and regulation of lipid metabolism in IUGR fetal hearts. We also thoroughly investigated the consequences of a high lipid metabolism in IUGR fetal hearts. Changes between males and females were also considered. This study shows an increased use of lipid metabolism in IUGR fetuses, which involves the transcriptional activation of the nuclear receptor PPARα and the coactivator PGC1 in response to accumulated levels of specific long-chain fatty acids (FA) in IUGR fetal hearts. Activation of PPARα lead to an increase in the expression of critical genes involved in the oxidation of FAs and mitochondrial biogenesis. Mitochondrial respiration analysis demonstrated a greater ATP production capability in female IUGR fetal hearts compared to control females, a finding not observed in males. The increased expression of Pdk4 in IUGR fetal hearts attests such a strong lipid metabolism and suggests an abundance of acetyl-CoA, an intermediate molecule to several metabolic pathways, including the production of ketone bodies. Indeed, our results indicate an increased intracardiac synthesis of ketone bodies in IUGR fetuses without inducing ketolytic genes, resulting in significant accumulation of acetoacetate and β-hydroxybutyrate (bHB). Moreover, we provide evidence of a signaling role of bHB with a positive regulation of lipid metabolism through the transcriptional activation of PPARα. In conclusion, this thesis contributes to a better understanding of the mechanisms involved in the metabolic adaptation of fetal hearts to IUGR and highlights selective changes according to sex. Our study also paves the way for new research avenues on the signaling role of ketone bodies and long-chain FAs on the programming of cardiometabolic diseases.

La maladie d’Alzheimer (MA) représente la cause la plus importante de la démence, pourtant la cause de la MA reste toujours inconnue. Des données récentes suggèrent que la protéine BMI1 joue un rôle protecteur contre la MA et un rôle essentiel dans l’intégrité de l’hétérochromatine constitutive (hét-c) – les régions génomiques inactives au niveau de la transcription. Les niveaux de BMI1 et d’hét-c sont diminués dans les cerveaux de patients atteints de la MA, et des modèles de déficience de BMI1 in vivo et in vitro reproduisent des phénotypes canoniques de la MA. Nous avançons l’hypothèse que la perturbation de l’hét-c, effectuée par l’inactivation de gènes impliqués dans son intégrité, induira trois phénotypes canoniques de la MA : l’amyloïdopathie, la tauopathie et l’apoptose. Les knock-out (KO) de ces gènes se réalisent individuellement via le système CRISPR-Cas9 dans des neurones humains in vitro. Huit des 38 conditions de KO manifestent une perturbation d’hét-c, analysée par Western Blot; six manifestent une amyloïdopathie, deux manifestent une tauopathie et quatre manifestent des niveaux élevés d’apoptose, analysés par microscopie confocale et immunofluorescence. Les conditions de KO de gènes impliqués dans les domaines associés à la lamine manifestent plusieurs ou tous ces phénotypes de la MA. Ces résultats peuvent suggérer une nouvelle théorie qui expliquerait la cause de la MA : la dérépression de ces domaines induit l’activation des long interspersed elements (LINEs) dont leur dérépression cause des dommages à l’ADN et une réponse immunitaire innée aboutissant à un état sénescent et pro-inflammatoire qui entraîne la neurodégénérescence. / Alzheimer’s Disease (AD) represents the number one cause of dementia, however the cause of AD remains unknown. Recent data suggest that the protein BMI1 plays a protective role against AD and an essential role in the integrity of constitutive heterochromatin (c-het) – transcriptionally inactive, genomic regions. The levels of BMI1 and c-het are diminished in brains of AD patients, and models of BMI1 deficiency in vivo and in vitro reproduce canonical phenotypes of AD. We hypothesize that the disruption of c-het, brought about by inactivating genes implicated in its integrity, will induce three canonical phenotypes of AD: amyloidopathy, tauopathy and apoptosis. These gene knock-outs (KO) are carried out individually via the CRISPR-Cas9 system in human neurons in vitro. Eight of the 38 KO conditions present a disruption of c-het, analysed by Western Blot; six present amyloidopathy, two present tauopathy and four present elevated levels of apoptosis, analysed by confocal microscopy and immunofluorescence. The KO conditions of genes implicated in lamina-associated domains present some or all these AD phenotypes. These results may suggest a novel theory that would explain the cause of Alzheimer’s Disease: the derepression of these domains induces the activity of long interspersed elements (LINEs) which causes DNA damage and an innate immune response, culminating in a pro-inflammatory state of cellular senescence which leads to neurodegeneration.

About 70% of breast tumors express the estrogen receptor alpha (ERα). Antiestrogens (AEs) are used to treat all stages of ER+ breast cancer. There are two types of AEs: Selective Estrogen Receptor Modulators (SERMs) and Selective Estrogen Receptor Downregulators (SERDs). SERMs such as Tamoxifen (Tam) have tissue-specific partial agonist activity, while SERDs such as Fulvestrant or Faslodex (ICI182, 780) fully repress estrogen target genes regardless of the tissue and cell type. Previously, it has been reported that SERDs induce ERα ubiquitination and degradation. ERα is also SUMOylated in the presence of SERDs. Abrogating SUMOylation of ERα using a deSUMOylase (SENP1) resulted in a partial de-repression of estrogen target genes in the presence of SERDs. Mapping the domains using deletion mutagenesis in the presence of ICI 182,780 showed that C-terminal domain (CDEF regions) is required of the ICI induced modification but not the N-terminal domain (AB region). Thus, a detailed dissection of the structural determinants for the selective action of SERDs on ERα SUMOylation and ubiquitination remained unknown. Our work shows that pure antiestrogens like ICI182,780 induce SUMOylation and ubiquitination of ERα but not ERβ in live cells. Utilizing the fact that domains of ERα and ERβ display sequence homology, we designed chimeras to map the minimal domain required for ERα modification in the presence of antiestrogens. Interestingly, swapping domains between ERα and ERβ showed that the Ligand Binding Domain (LBD) of ERα is sufficient to confer the induction of ERα modification in the presence of AEs such as Raloxifene (Ral) and ICI182,780. Further dissecting this region, we also found that helices 3 to 6 (H3H6) located in the LBD region is sufficient to confer the induction of SUMOylation and ubiquitination in the ICI182,780. Importantly, the lysine residues in this region between ERα and ERβ are conserved, which suggests that conformational differences in the LBD determine the capacity of ICI182, 780 bound ERα to be modified by SUMO and ubiquitin. Replacement of Leucine at position 536 in helix 12 (H12) of ERα’s LBD by a Valine residue or mutating Aspartate at position 351 abolished the increase in SUMOylation and ubiquitination observed in the presence of Ral. This suggested that Ral, a SERM, required a different set of determinants than ICI182,780 present in the LBD of ERα. vi Our work has also showed that saturating concentrations (increasing the amount of drug added will not result in a higher response) of ICI 182,780 modified and fully repressed constitutively active mutations such as Y537C, N or S and D538G. Other mutation such V534E and L536R/Q mutants exhibited some residual activity and were not modified in the presence of saturating concentrations of ICI182,780. Interestingly, the loss of SUMOylation correlated with the partial resistance to AEs. Structure function analysis of residues at position 536 indicates amino acids with a bulky hydrophobic side chain residue at this position result in preservation of ERα modifications in the presence of ICI 182,780. However, Using BRET-FECT, we have demonstrated that ERαwt/L536R heterodimerize and have intermediate levels of SUMOylation compared to ERαwt in the presence of ICI 182,780. Our results shed light onto the molecular basis for the diverse pharmacological properties of antiestrogens and should help guide the design of novel SERDs for breast cancer treatment. / Environ 70% des cancers du sein expriment le récepteur des oestrogènes alpha (ERα). Les anti-oestrogènes (AEs) sont utilisés pour traiter tous les stades de cancer du sein ER+. Il y a deux types d’AEs : les Selective ER Modulators (SERMs) et les Selective ER Downregulators (SERDs). Les SERMs, comme le Tamoxifen (Tam), ont une activité agoniste partielle tissu-spécifique, alors que les SERDs, tel Fulvestrant ou Faslodex (ICI182,780), répriment entièrement les gènes cibles d’ER, quel que soit l’organe ou le type cellulaire. Il a précédemment été montré que les SERDs induisent l’ubiquitination et la dégradation d’ERα. ERα est aussi SUMOylé en présence des SERDs. Supprimer la SUMOylation d’ERα en utilisant une déSUMOylase (SENP1) résulte en une dérépression partielle des gènes cibles d’ER en présence de SERDs. La délétion successive des différents domaines d’ERα en présence d’ICI182,780 a révélé que la région C-terminale (domaines CDEF) est requise pour la modification induite par ICI, mais pas la région N-terminale (domaines AB). Ainsi, la dissection détaillée des déterminants structuraux responsables de l’activité sélective des SERDs pour la SUMOylation et l’ubiquitination d’ERα reste à entreprendre. Nos travaux montrent que les AEs purs comme ICI182,780 induisent la SUMOylation d’ERα, mais pas d’ERβ, dans des cellules en culture. Tirant profit de l’homologie de séquences des différents domaines d’ERα et ERβ, nous avons conçu des chimères pour cartographier la région minimale requise pour la modification d’ERα en présence d’AEs. De manière intéressante, l’interversion des domaines d’ERα et ERβ a montré que le domaine de liaison au ligand (LBD) d’ERα est suffisant pour permettre l’induction de la modification d’ERα en présence d’AEs tels le Raloxifene (Ral) et ICI182,780. En décortiquant davantage ce domaine, nous avons trouvé que les hélices 3 à 6 (H3H6) du LBD sont suffisantes pour induire la SUMOylation et l’ubiquitination d’ERα en présence d’ICI182,780. De manière importante, les résidus Lysine de cette région sont conservées entre ERα et ERβ, ce qui suggère que des différences conformationnelles entre les deux LBD déterminent la capacité d’ERα lié par ICI182,780 d’être modifié par SUMO et l’ubiquitine. La mutation de la Leucine à la position 536 dans l’hélice H12 du LBD d’ERα par une Valine, ou la mutation de l’Aspartate à la position 351 abolissent l’augmentation de la SUMOylation et l’ubiquitination observée en présence de iv Ral. Cela suggère que Ral, un SERM, requière différents déterminants structuraux du LBD d’ERα qu’ICI182,780. Nos travaux ont aussi montré que des concentrations saturantes (l’augmentation de la quantité de drogue ajoutée ne mènera pas à une réponse plus élevée) d’ICI182,780 modifient et répriment entièrement des mutants constitutivement actifs d’ERα comme Y537C, N ou S et D538G. D’autres mutants, tels V534E et L536R/Q, présentent une activité résiduelle et ne sont pas modifiés sous traitement avec des concentrations saturantes d’ICI182,780. De façon intéressante, la perte de SUMOylation corrèle avec la résistance partielle aux AEs. Une analyse structure – fonction des résidus à la position 536 indique que les acides aminés avec une chaine latérale hydrophobe volumineuse à cette position permettent de préserver les modifications d’ERα en présence d’ICI182,780. Cependant, en utilisant la technique BRET-FECT, nous avons démontré que les récepteurs ERα sauvage et L536R forment un hétérodimère qui présente des niveaux intermédiaires de SUMOylation en présence d’ICI182,780. Nos résultats révèlent les bases moléculaires des diverses propriétés pharmacologiques des AEs et devraient aider à guider la conception de nouveaux SERDs pour le traitement des cancers du sein.

La sénescence cellulaire et l'apoptose ont évolué comme des puissantes barrières protectrices contre la transformation néoplasique. La sénescence est un état d'arrêt permanent de la prolifération dans lequel les cellules restent métaboliquement actives. La sénescence cellulaire est déclenchée par différentes sources de stress, notamment les oncogènes activés, le dysfonctionnement des télomères, les dommages à l'ADN et des défauts dans la réplication provoqués par des agents génotoxiques, des espèces réactives de l'oxygène, etc. Ce processus complexe engage deux voies différentes de suppresseurs de tumeurs, les voies p53/p21 et p16INK4a/pRb, et les deux voies doivent être compromises dans les cellules humaines afin de contourner la sénescence. Par conséquent, décrire la relation entre l'activation des oncogènes, l'arrêt de la prolifération induite par la sénescence et l'échappement à l'état de sénescence est essentiel pour comprendre le processus de tumorigenèse. KDM4A est un membre de la sous-famille KDM4 des Jumonji lysine déméthylases ciblant les variantes di- et triméthylées de l'histone H3 lysine 9 (H3K9) et l'histone H3 lysine 36 (H3K36). Les trois premiers membres de la sous-famille KDM4A, KDM4B et KDM4C sont également capables de lier l'histone 4 lysine 20 di-méthyl/tri-méthyl (H4K20me2/3) et l'histone 3 lysine 4 tri-méthyl (H3K4me3), via leurs domaines Tudor consécutifs. KDM4A module négativement l'activité de la voie p53, en ciblant directement le suppresseur de tumeur CHD5, et est également un régulateur négatif de la réponse aux dommages de l'ADN. Les niveaux d'expression de KDM4A sont souvent élevés dans les cellules cancéreuses et diminués pendant la sénescence cellulaire. La motivation principale de cette thèse est d'élargir nos connaissances actuelles sur la façon dont la réorganisation de la chromatine influence la stabilité du phénotype de sénescence. Dans la première partie de ce travail, nous abordons la fonction de méthylation de H4K20 et H3K9, dans le contexte des foyers d'hétérochromatine associés à la sénescence (SAHF: senescence-associated heterochromatin foci). Nous démontrons que l'intégration de H4K20me3 dans les SAHF dépend de l'incorporation précédente de H3K9me3 et révélons les méthyltransférases H4K20 impliquées dans ce processus. Nous proposons un mécanisme moléculaire par lequel H4K20me3 et H3K9me3 coopèrent avec p53 dans la répression stable des gènes cibles de E2F au cours de la sénescence induite par l'oncogène Ras. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons une voie de dégradation lysosomale (c'est-à-dire l'autophagie médiée par des chaperons) en tant que nouveau mécanisme potentiel par lequel les cellules modulent les niveaux de KDM4A pendant la sénescence. Nos résultats suggèrent que la méthylation dans les lysines des histones régule la stabilité de sénescence en réponse à l'oncogène Ras et révèlent le potentiel d'induction de la sénescence par inhibition ciblée de KDM4A dans le traitement du cancer. / Cellular senescence and apoptosis have evolved as potent protective barriers against neoplastic transformation. Senescence is a state of stable arrest of proliferation in which cells remain metabolically active. Cellular senescence is triggered by different sources of stress, including activated oncogenes, telomere dysfunction, DNA damage and replication defects elicited by genotoxic agents, reactive oxygen species, etc. This complex process engages two different tumor suppressor pathways, the p53/p21 and p16INK4a/pRb pathways that need to be compromised in human cells in order to circumvent the senescence-associated growth halt. Hence, describing the relationship between oncogene activation, senescence-induced proliferation arrest and escape from the senescence state remains essential to understand tumorigenesis. KDM4A is a member of the KDM4 sub-family of Jumonji lysine demethylases targeting di- and tri-methylated histone H3 lysine 9 (H3K9) and histone H3 lysine 36 (H3K36). The first three sub-family members KDM4A, KDM4B and KDM4C are also able to bind histone 4 lysine 20 di-methyl/tri-methyl (H4K20me2/3) and histone 3 lysine 4 tri-methyl (H3K4me3), via their tandem Tudor domain. KDM4A negatively modulates the activity of the p53 pathway, by directly targeting the tumor suppressor CHD5, and is also a negative regulator of the DNA damage response. KDM4A expression levels are often elevated in cancer cells and decreased during cellular senescence. The principal motivation for this thesis is to expand our current knowledge on how chromatin reorganization influences the stability of the senescence phenotype. In the first part of this work we address the function of H4K20 and H3K9 methylation, in the context of the senescence-associated heterochromatin foci (SAHF). We demonstrate that integration of H4K20me3 into the SAHF depends on the previous incorporation of H3K9me3 and reveal the H4K20 methyltransferases involved in this process. We propose a molecular mechanism by which H4K20me3 and H3K9me3 cooperate with p53 in the stable repression of E2F target genes during oncogenic Ras-induced senescence. In the second part of the thesis we present a lysosomal-degradation pathway (i.e. chaperone-mediated autophagy) as a novel potential mechanism by which cells modulate KDM4A protein levels during senescence. Our results strongly suggest that histone lysine methylation contributes to the stability of the senescence response to the Ras oncogene and reveal the potential of senescence induction by targeted inhibition of KDM4A in the treatment of cancer.

Le cancer du sein est une maladie hétérogène définie actuellement par plusieurs sous-types classés en fonction de leurs profils d'expression génique et reliés à différentes altérations moléculaires et options thérapeutiques. Les tumeurs luminales, exprimant le récepteur des oestrogènes alpha (ERa), sont traitées par des thérapies endocriniennes. Les tumeurs HER2+ bénéficient également de traitement par des médicaments ciblant ce récepteur. Cependant, les tumeurs de types basal-like, molecular apocrine et claudin-low, sont principalement traitées par chimiothérapie à défaut de cibles thérapeutiques. Les différents sous-types moléculaires du cancer du sein sont supposés provenir d'un blocage de la différenciation épithéliales mammaires à différents stades. Les tumeurs luminales, HER2+ et basal-like sont caractérisées par un phénotype épithélial, alors que les tumeurs claudin-low se distinguent par un phénotype mésenchymateux moins différencié. Jusqu'à présent, les facteurs de transcription qui dictent l'identité épithéliale des tumeurs mammaires et les mécanismes sous-jacents de la spécification des sous-types de cancer du sein restent imparfaitement compris. Dans cette étude, nous montrons que le facteur de transcription (FT) Grainyhead-like 2 (GRHL2) agit en tant que gardien et régulateur principale de phénotype épithélial des lignées cellulaires du cancer du sein. La surexpression de GRHL2 dans des cellules cancéreuses du sein claudin-low induit une transition mésenchymateuse à épithéliale en induisant directement l'expression de plusieurs FT épithéliaux, cofacteurs et microARNs et par interférence avec d'autres voies de signalisation. La surexpression de GRHL2 dans les cellules MDA-MB-231 a entraîné l'ouverture de la chromatine et l'activation transcriptionnelle des gènes cibles tels que les inhibiteurs de l’EMT OVOL1 et OVOL2, réprimés dans les cellules mésenchymateuses. De plus, nous avons identifié le marqueur de type basal-like VGLL1, un cofacteur des TEADs, en tant que nouveau cofacteur de GRHL2, qui médie une partie des effets de GRHL2 dans les cellules MDA-MB-468. L'axe GRHL2/VGLL1 oppose les effecteurs de la voie de signalisation Hippo YAP / TEADs, qui sont dérégulés dans de nombreux cancers, et inhibe l'activation de certains de leurs gènes cibles impliqués dans la progression tumorale et les métastases. Dans la deuxième partie de notre étude, nous avons identifié, par une analyse de corrélation génique dans plusieurs jeux de données transcriptomiques de tumeurs du sein, un cluster de gènes hautement corrélés et spécifiquement exprimés dans les tumeurs basal-like, incluant FOXC1, VGLL1, BCL11A, GABRP, SOX6/8/10 et ELF5. Nous avons montré que la surexpression de FOXC1 dans des cellules épithéliales et mésenchymateuses active des voies de signalisation et induit l’expression de gènes enrichis dans les tumeurs basal-like, y compris le marqueur de type basal-like C1orf106, quoique ces effets soient largement spécifiques du contexte cellulaire. D’un autre côté, nous avons montré que les FT luminaux ERa, FOXA1 et GATA3 répriment directement l'expression des marqueurs de type basal-like VGLL1 et GABRP dans les cellules luminales MCF7. Ces études permettent de mieux comprendre le rôle et les mécanismes de la régulation transcriptionnelle par GRHL2 et ont identifié de nouveaux gènes cibles de VGLL1 et de FOXC1 dans les cellules cancéreuses du sein. Étant donné que les sous-types de cancer du sein sont liés à des aberrations génétiques affectant de manière distincte les patrons d'expression des gènes, l’identification des réseaux de régulation transcriptionnels spécifiques à chaque sous-type et une meilleure compréhension de l'impact de leur dérégulation sur les phénotypes tumoraux peuvent conduire à la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques spécifiques à chaque sous-type. / Breast cancer is a heterogenous disease currently defined by several subtypes that have been identified based on gene expression profiling and are related to different molecular alterations and clinical outcomes. Luminal tumors, expressing estrogen receptor alpha (ERa), are treated with endocrine therapies. HER2-enriched tumors also benefit from treatment with drugs targeting this receptor. However, basal-like, molecular apocrine and claudin-low tumors, lacking the expression of specific molecular targets, are mainly treated by chemotherapy. Breast cancer molecular subtypes are thought to be originated from a block of mammary epithelial cell differentiation at different stages. Luminal, HER2-enriched and basal-like tumors are characterized by an epithelial phenotype, however claudin-low tumors are distinguished by a less differentiated mesenchymal phenotype. Until now, transcription factors that dictate the epithelial identity of breast tumors and that underlie breast cancer subtype specification have not been well characterized. Here, we show that the transcription factor (TF) Grainyhead-like 2 (GRHL2) is a gatekeeper and a master regulator of the epithelial phenotype of breast cancer cell lines. GRHL2 overexpression in claudin-low breast cancer cells induces mesenchymal to epithelial transition by directly upregulating the expression of several epithelial TFs, cofactors and microRNAs and by crosstalk with other signaling pathways. GRHL2 overexpression in MDA-MB-231 cells resulted in chromatin opening and transcriptional activation of direct target genes such as the EMT inhibitors OVOL1 and OVOL2, repressed in mesenchymal cells. In addition, we uncovered the basal-like marker VGLL1, a TEAD cofactor, as a novel cofactor of GRHL2, which mediates part of GRHL2 effects in MDA-MB-468 cells. The GRHL2/VGLL1 axis counteracts the downstream effectors of the Hippo signaling pathway YAP/TEADs, which are deregulated in many cancers, and inhibits the activation of some of their target genes implicated in tumor progression and metastasis. In the second part of our study, we identified by performing gene correlation analysis in large transcriptome datasets of breast tumors a cluster of highly correlated genes specifically expressed in basal-like tumors, comprising FOXC1, VGLL1, BCL11A, GABRP, SOX6/8/10 and ELF5. We showed that FOXC1 overexpression in both mesenchymal and epithelial cells upregulates basallike signaling pathways and markers such as the basal-like marker C1orf106, although with little overlap indicating context-dependent gene regulation. Conversely, we showed that luminal TFs ERa, FOXA1 and GATA3 directly repress the expression of basal-like markers VGLL1 and GABRP in MCF7 luminal cells. These studies help to better understand the role and the mechanisms of transcriptional regulation by the epithelial transcription factor GRHL2 and identified previously unknown targets of basallike transcription factor FOXC1 and cofactor VGLL1 in breast cancer cells. As breast cancer subtypes are linked to genetic defects differentially affecting gene expression patterns, the characterization of relevant subtype-specific transcriptional regulatory networks and better understanding of the impact of their deregulation on the tumor phenotype may lead to the discovery of new therapeutic strategies specific to each subtype.

Les éléments transposables (TE) sont des séquences répétitives représentant environ 45% des génomes humain et murin. Il est généralement assumé que leur expression est réprimée dans les cellules somatiques pour protéger l’intégrité du génome, et cette régulation épigénétique est fréquemment perdue dans les cancers, menant à la surexpression des TEs dans les tumeurs. Puisque l’expression aberrante des TEs est associée à l’infiltration de la tumeur par les cellules immunitaires, les TEs sont considérés comme des cibles prometteuses d’immunothérapies du cancer. Une meilleure description de l’expression des TEs dans les tissus somatiques ainsi que dans le thymus, l’organe responsable du développement de la tolérance au soi des lymphocytes T, est toutefois nécessaire pour évaluer la capacité des TEs d’induire des réponses immunitaires et déterminer si l’expression des TEs est belle et bien spécifique aux tumeurs. L’objectif de cette thèse est donc de brosser un portrait exhaustif de l’expression des TEs dans les tissus somatiques humains ainsi que dans le thymus. Pour ce faire, des données transcriptomiques et immunopeptidomiques ont été analysées pour mieux comprendre les interactions entre les TEs et les lymphocytes T à l’état basal. Nos résultats ont montré que l’expression des TEs est répandue dans les tissus somatiques humains, bien que leur niveau d’expression varie d’un tissu à l’autre et que plusieurs TEs sont exprimés de façon tissu-spécifique. De plus, les TEs peuvent être traduits et présentés par le CMH-I à la surface de cellules non-cancéreuses. Nous avons aussi déterminé que les TEs ont trois fonctions potentielles dans le thymus : ils pourraient fournir des sites de liaison à un grand nombre de facteurs de transcription dans toutes les populations cellulaires du thymus, ils stimuleraient la sécrétion d’IFN ɑ/β par les pDCs thymiques, et ils contribuent aux sélections positive et négative des thymocytes. Nos travaux illustrent la complexité des interactions entre les TEs et le système immunitaire adaptatif. Finalement, étant donnée l’expression répandue des TEs dans les tissus somatiques, nos travaux soulignent l’importance d’établir la tolérance des lymphocytes T à l’égard des TEs pour éviter des réactions auto-immunes. / Transposable elements are repetitive sequences representing around 45% of the human and murine genomes. It is generally assumed that their expression is repressed in somatic cells to preserve genomic integrity, but this epigenetic regulation is frequently lost in cancer cells, leading to the aberrant expression of TEs in tumors. As aberrant TE expression is associated with tumor infiltration by immune cells, TEs are considered as promising cancer immunotherapy targets. However, a better description of TE expression in somatic tissues and in the thymus, the organ responsible of T cell self-tolerance induction, is required to evaluate the potential of TEs to induce immune responses as well as the tumor specificity of TE expression. Thus, this thesis’ objective is to draw an exhaustive profile of TE expression in human somatic tissues and in the thymus. To do so, we analyzed transcriptomic and immunopeptidomic data to better understand interactions between TEs and T cells at steady state. Our work shows that TE expression is widespread in human somatic tissues, even though their expression level varies between tissues and many TEs are expressed in a tissue-specific manner. Additionally, TEs are translated and presented by the MHC-I on the surface of non-malignant cells. We also determined that TEs have three potential functions in the thymus: they could provide transcription factor binding sites in all cell populations of the thymus, they might induce the constitutive IFN ɑ/β secretion of thymic pDCs, and they contribute to both positive and negative selections of thymocytes. Altogether, our work illustrates the complexity of the interactions between TEs and the vertebrate adaptive immune system. Given the widespread expression of TEs in somatic tissues, this thesis highlights the importance of establishing T cell tolerance towards TE sequences to avoid autoimmune reactions in peripheral tissues.