La ségrégation des chromosomes est un processus complexe permettant la division égale du matériel génétique entre les cellules filles. Contrairement aux cellules somatiques, ce processus est sujet à des erreurs dans les cellules germinales telles que les ovocytes. Lorsque des erreurs surviennent lors de la ségrégation des chromosomes durant la méiose cela peut conduire à une aneuploïdie. L’aneuploïdie est la présence d’un nombre incorrect de chromosomes dans une cellule et est connue pour causer l’infertilité et des arrêts de grossesses chez l’humain. L’incidence de l’aneuploïdie augmente avec l’âge maternel (1). Le kinétochore est une structure cellulaire impliqué dans la ségrégation des chromosomes. Il est composé de plus de 100 protéines et se situe entre les microtubules et les centromères. Les microtubules se lient aux kinétochores, et ces derniers s’attachent sur les centromères afin de séparer les chromosomes homologues durant la méiose et les chromatides des sœurs pendant la mitose (1–3). Dans les cellules somatiques, cette structure est bien connue (2). Pourtant, moins d’informations sont connues à dans l’ovocyte de mammifère en développement au cours de la méiose I (3,4). Ce projet vise à étudier le rôle du kinétochore durant la ségrégation des chromosomes dans l’ovocyte de souris en développement. Plus spécifiquement, l’assemblage, le désassemblage, la dynamique et la tension des protéines du kinétochore seront évalués. Ce projet permettra de mieux comprendre le rôle du kinétochore durant la méiose I, ses implications durant la séparation des chromosomes, et éventuellement ses implications dans l’aneuploïdie. / Chromosome segregation is an intricate process in dividing genetic material equally between daughter cells. This process, unlike in somatic cells, is error prone in germ cells like the oocyte. When errors occur during meiosis in segregating chromosomes, aneuploidy results when the cell has an incorrect number of chromosomes. This can result in infertility and birth defects in human reproduction. The incidences of aneuploidy are also seen to increase with increasing maternal age (1). The kinetochore is a cellular structure at the heart of chromosome segregation. It is composed of more than 100 proteins and is located between the microtubules and the centromeres. The microtubules attach onto the kinetochores, which themselves attach onto the centromeres, in order to pull the homologous chromosomes apart during meiosis and the sister chromatids during mitosis (1–3). Much is known about this multi-protein structure in somatic cells (2). Yet, very little is known about this in the developing mammalian oocyte during Meiosis I (1,3,4). This project aims to investigate the role of the kinetochore in chromosome segregation in a developing mouse oocyte. More specifically, kinetochore protein assembly, disassembly, dynamics and tension will be assessed. This project will achieve a better understanding of the kinetochore’s role in Meiosis I, its implications in chromosome segregation in a developing mouse oocyte, and how it may be involved in aneuploidy.

L’ostéopétrose est une pathologie osseuse caractérisée par des os denses et fragiles principalement due à l’incapacité des ostéoclastes, cellules d’origine hématopoïétique, à résorber le tissu osseux. La forme la plus sévère de cette maladie génétique est l’ostéopétrose autosomale récessive infantile due à une mutation du gène Ostm1 (Protéine transmembranaire de type 1 associée à l'ostéopétrose). Le gène Ostm1 est exprimé principalement dans la lignée des cellules hématopoïétiques, mais aussi dans le système nerveux central et les mélanocytes. Cette mutation développe plusieurs symptômes comme l’apparition d’une couleur de pelage gris chez la souris, une anémie sévère, une sensibilité aux infections et des troubles neuronaux chez l’homme et la souris. Afin de mieux comprendre cette maladie, nous avons généré des souris transgéniques sur un fond génétique grey-lethal (gl) dans lesquelles l’expression d’Ostm1 est ciblée à un tissu spécifique. Nous avons caractérisé le gène Ostm1 responsable de la mutation ostéopétrotique spontanée gl chez la souris. La complémentation fonctionnelle des défauts hématopoïétiques a été obtenue dans les souris transgéniques PU.1-Ostm1-gl/gl mais ces souris meurent prématurément avec une neurodegénérescence sévère. Cette perte cellulaire affecte le système nerveux central dans son ensemble incluant la rétine. Ce mémoire porte sur le but d’établir le profil d’expression du gène Ostm1 dans la rétine puisque la perte du gène entraine une dégénérescence rétinienne. Pour définir le rôle d’Ostm1 dans la rétine, nous avons caractérisé son expression dans ce tissu (organe). Des analyses PCR, démontrent une expression d’Ostm1 dans l’œil total et enrichie dans la neurorétine et dans l’épithélium pigmentée (RPE). Après avoir caractérisé avec des marqueurs protéiques spécifiques les sous populations cellulaires de la rétine, in situ hybridation détecte l’expression préférentielle d’Ostm1 dans l’épithélium pigmentée (RPE) et la couche nucléaire interne (INL). Basé sur ce profil d’expression, nous avons induit dans un premier temps la perte de fonction d’Ostm1 spécifiquement dans le RPE. Dans un premier temps nous avons vérifié que l’expression de la recombinasse Cre seule n’est pas toxique. Nous avons ensuite induit la perte d’expression d’Ostm1 dans ces cellules et démontré que la perte d’Ostm1 dans le RPE se traduit par une perte graduelle des photorécepteurs avec l’âge. Ces résultats préliminaires suggèrent que l’expression post-natale d’Ostm1 dans le RPE est essentielle au maintien de l’homéostasie des photorécepteurs dans la rétine. / Osteopetrosis is a disease characterized by high bone density and fragility principally caused by impaired activity of osteoclasts, which are cells that reside in bone and dissolve bone tissue. The most severe form of osteopetrosis is infantile autosomal recessive osteopetrosis (ARO) which is caused by mutations in genes Ostm1. As Ostm1(osteopetrosis-associated transmembrane protein 1) is expressed in multiple hematopoietic stem cell lineages, melanocytes and the nervous system, mutations in Ostm1 can cause coat color change in mice as well as bone fragility, anemia, infections and neuronal disorders in humans and mice. To further the understanding of these conditions linked with Ostm1 loss, multiple tissue specific Ostm1 transgenic mice over an Ostm1 knockout (gl/gl) background were constructed. To better understand this disease, we characterized the Ostm1 gene responsible for the spontaneous osteopetrotic mutation grey- lethal (gl) in mice. Functional complementation of hematopoietic defects was obtained in PU.1-Ostm1-gl/gl transgenic mice, but these mice die prematurely with severe neurodegeneration. This indicates that Ostm1 has a crucial role in neuronal and retinal health. As a result, we wished to establish an expression profile of Ostm1 in all the layers of the retina to further decipher the role of Ostm1 in the retina. Polymerase chain reaction (PCR) of reverse-transcribed mRNA of separated sections of the eye demonstrate that Ostm1 is expressed in the whole eye, neuroretina and retinal pigmented epithelium (RPE). Further specific expression analyses were performed by in- situ hybridization which showed that Ostm1 is expressed specifically in the inner nuclear layer of the neuroretina as well as in the RPE. Based on this tissue expression pattern, we have constructed, for the first time, an RPE specific knockdown of Ostm1 expression and verified that the expression of Cre recombinase in this tissue is not toxic. The reduction of Ostm1 in the RPE of the eye resulted in gradual loss of photoreceptors of the retina. These preliminary results suggest that the post-natal expression of Ostm1 in the RPE is essential for maintaining the homeostasis of the photoreceptors of the retina.

Telomeres are nucleoprotein structures that cap the physical ends of eukaryotic chromosomes. They consist of repetitive DNA sequences 5’-TTAGGG-3’ assembled with proteins which form the shelterin complex. This complex protects the ends of chromosomes by inhibiting DNA repair pathways at telomeres and avoid their recognition as double-strand breaks. Telomeres have been identified as a transcriptionally silent zone until 2007 when a noncoding RNA called TERRA (TElomeric Repeat containing RNA) transcribed from telomeres was discovered. This RNA gave rise to many questions: How is TERRA regulated? How is TERRA expressed? Does TERRA interact with proteins, DNA or RNA? After several studies, we know that TERRA is frequently expressed in cancer cells and it interacts with a large proteome. Nevertheless, its specific function remains unknown. In this thesis, we studied this RNA in human cancer cells using live-cell microscopy which allowed us to get information on TERRA’s dynamics, localization and its interactome. Moreover, we used single-molecule imaging on TERRA 15q labeled by the MS2-GFP system, which allowed the visualization of TERRA transcripts. This study resulted in the discovery of two types of TERRA population from telomere 15q: one of the population is characterized by the formation of clusters and a second population is constituted of unique molecules more dynamic in the nucleus. Finally, in order to better understand TERRA’s functions, we developed a new approach which consists on immunoprecipitating TERRA using the MS2 stem-loops as a tag to identify TERRA-interacting proteins such as the telomeric factor TRF2 or RNA-binding proteins like hnRNP -A1 or FUS. / Les télomères forment les extrémités des chromosomes chez les eucaryotes. Ces séquences répétées en tandem 5’-TTAGGG-3’ font partie d’un complexe nucléoprotéique appelé shelterin. En effet, cet assemblage de protéines télomériques permet la protection des extrémités des chromosomes, permettant à celles-ci de ne pas être reconnues comme des cassures dans l’ADN et d’activer les voies de réparation de l’ADN. Les télomères ont longtemps été reconnus comme étant des zones de transcription inactives, ce jusqu’en 2007 lorsqu’une équipe de recherche découvrit un ARN non codant appelé TERRA (Telomeric Repeat containing RNA). Ce dernier a suscité de nombreuses questions : quel est le rôle de cet ARN? Comment est-il exprimé et régulé? Interagit-il avec d’autres facteurs cellulaires? Les différentes recherches menées sur cet ARN ont permis de conclure que celui-ci était fréquemment induit dans les cellules de cancer, que ses partenaires d’interactions sont nombreux, mais que ses fonctions restent encore mal définies. Par ailleurs, ces différentes études ont toujours été ou presque réalisées sur des cellules fixées, sur une population totale d’ARN télomérique TERRA. Afin d’apporter de nouvelles réponses et de mieux caractériser cet ARN, nous avons étudié ce transcrit dans des cellules de cancer humain en utilisant la technique de microscopie en temps réel, qui permet de récolter des données sur la dynamique, la localisation de cet ARN et ses éventuels partenaires. De plus, nous nous sommes intéressés à des molécules uniques de TERRA issues du télomère 15q en exploitant la technique de marquage avec des tiges-boucles MS2 (MS2-GFP). Cette étude de microscopie a permis de découvrir deux types de population de l’ARN TERRA 15q : une population caractérisée par des assemblages d’ARN dit clusters (agrégats d’ARN) et une population plus singulière qui semble avoir une diffusion plus importante dans le noyau de la cellule. Par ailleurs, l’expression de l’ARN TERRA semble être différente d’un type cellulaire à un autre et nous avons donc cherché à connaître le niveau d’expression de cet ARN au sein de la lignée étudiée au cours de ce projet de recherche. Enfin, afin de découvrir de nouveaux rôles pour cet ARN, nous avons développé une approche de co-immunoprécipitation de l’ARN TERRA pour identifier des interactions avec des protéines du complexe shelterin comme TRF2, ou des protéines liant l’ARN comme hnRNP-A1 ou encore FUS.

Les acides biliaires sont des composants naturels du tractus gastro-intestinal. La hausse du taux d’acides biliaires dans l’intestin est associée à une carcinogenèse de l’appareil digestif. L’homéostasie des acides biliaires est maintenue par le contrôle de l’expression des gènes impliqués dans le métabolisme tels que SHP, FGF19 et CYP-7A1 par le récepteur nucléaire FXRα. FXRα agit comme facteur de transcription en réponse à l’interaction directe des acides biliaires. Par contre, plusieurs évidences tendent à démontrer le rôle central de FXRα dans la carcinogenèse hépatique. Les récepteurs de la famille EGFR/ErbB sont des récepteurs tyrosine kinase également activés par les acides biliaires, dont la surexpression est associée au développement de plusieurs cancers. Ainsi, le projet vise à déterminer l’impact de la signalisation des récepteurs EGFR/ErbB sur la réponse transcriptionnelle de FXRα. Nous avons identifié un mécanisme d’inhibition de l’activité transcriptionnelle de FXRα et de l’expression de ses gènes cibles par l’activation des récepteurs EGFR/ErbB par leur ligands HRG et EGF et par l’expression du mutant constitutivement actif ErbB2-V659E dans les cellules hépatiques. Nous avons montré que ce processus dépend de la signalisation par la voie MAPK. On observe également que l’activation de FXRα diminue la prolifération des cellules cancéreuses du foie alors que celle du récepteur ErbB2 augmente cette prolifération. Ainsi, cette étude nous a permis d’établir un nouveau mécanisme de l’impact délétère de la suractivation des récepteurs EGFR/ErbB sur la prolifération des cellules cancéreuses du foie qui implique une inhibition du potentiel transcriptionnel du récepteur aux acides biliaires FXRα. / Bile acids are natural components of the gastrointestinal tract. An increase of bile acid levels in the intestine is associated with the carcinogenesis of the digestive system. Bile acid homeostasis is maintained by the nuclear receptor FXRα which regulates the expression of specific genes involved in metabolism such as SHP, FGF19 and CYP-7A1. In this way, FXRα acts as a transcription factor following bile acids binding, allowing its transcriptional activation. On the other hand, several studies established the central role of FXRα activation in liver carcinogenesis. EGFR/ErbB receptors are a family of tyrosine kinase receptors that can be regulated by bile acids. Overexpression of EGFR/ErbB receptors is associated with several cancers. Thus, the project aims to examine the impact of EGFR/ErbB receptors signaling on FXR transcriptional potential. We identify that EGFR/ErbB activation by their ligands HRG and EGF and by the expression of the constitutively active mutant ErbB2-V659E inhibits FXR transcriptional activity and expression of its target genes in liver cells. We demonstrate that this process is dependent on the MAPK signaling pathway. We also show that FXR activation decreases proliferation of liver cancer cells while activation of ErbB2 increases this cellular response. Thus, this study identifies a new mechanism of the deleterious impact of EGFR/ErbB receptors overactivation on liver cancer cells proliferation, involving the inhibition of the transcriptional potential of the bile acid receptor FXRα.

Les protéines du groupe Polycomb (PcG) sont des protéines essentielles et conservées, qui forment deux complexes principaux, PRC1 et PRC2, qui sont recrutés au niveau de la chromatine et qui répriment stablement l’expression génique. Chez Drosophila melanogaster, les complexes Polycomb sont recrutés à des éléments d’ADN appelés éléments de réponse Polycomb (PREs) pour réprimer la transcription. PREs sont des éléments mémoires permutables qui peuvent maintenir la répression ou l’expression génique. Malgré des dizaines d’années d’étude, des questions fondamentales sur le fonctionnement du système PcG subsistent. 1) Comment les protéines PcG sont recrutées aux PREs uniquement lors du contexte développemental approprié, et comment les PREs peuvent conduire à la fois à l’activation et à la répression stable. 2) Comment les complexes PcG répriment la transcription, et si cela implique de nouvelles activités biochimiques et interactions. 3) Comment la répression dépendante des PcG peut-elle être propagé à travers le cycle cellulaire. La recherche de nouvelles activités biochimiques pour les complexes PcG pouvant répondre à ces questions fait l’objet de cette thèse. Les PREs sont transcrits en ARN qui pourraient donner la spécificité de contexte pour recruter les protéines PcG. Nous avons supposé que des R-loops puissent se former aux PREs, et être reconnues par les complexes Polycomb, ce que vous avons testé dans le chapitre 2. Nous avons identifié les séquences formant des R-loops dans des embryons et une lignée cellulaire de Drosophila melanogaster, et nous avons trouvé que ~30% des PREs forment des R-loops. Nous avons découvert que les PREs ayant formé des R-loops ont une plus forte probabilité d’être liés par les protéines PcG in vivo et in vitro. PRC2 lie des milliers d’ARN in vivo, mais aucune fonction claire n’y a été associée. En utilisant des expériences in vitro, nous avons identifié une activité d’invasion de brins pour PRC2 qui induit la formation d’hybride ARN-ADN, la partie principale d’une R-loop. Dans ce chapitre, nous avons trouvé que les PREs forment des R-loops, et sont impliquées dans le recrutement des protéines PcG qui induisent la répression génique stable. Nous avons découvert une activité d’invasion de brins pour PRC2 qui pourrait impliquer ce complexe Polycomb dans la formation de R-loops in vivo. Dans le chapitre 3, nous avons identifié une activité similaire à celle de la topoisomérase I associée avec PRC1 et la région C-terminale de sa sous-unité PSC (PSC-CTR). PRC1 et PSC-CTR peuvent relaxer un plasmide surenroulé négativement et ajouter des supertours négatifs à un plasmide relaxé en absence de topoisomérase. Cette activité suggère que la régulation de la topologie de l’ADN puisse être un nouveau mécanisme utilisé par les complexes PcG. PRC1 peut résoudre les R-loops formées sur un ADN négativement surenroulé in vitro. Une fonction possible pour cette activité de topoisomérase peut être la régulation des R-loops, dont la stabilité dépend à la fois de la séquence d’ADN et de la topologie de l’ADN environnant, in vivo. Dans cette thèse, nous avons identifié de nouvelles activités chez les complexes PcG : une activité d’invasion de brins pour PRC2 et une activité similaire à celle des topoisomérases pour PRC1. Ces deux activités impliquent les complexes PcG dans la formation et la résolution de R-loops. De plus, ces deux complexes peuvent reconnaitre les R-loops et sont recrutés aux PREs ayant formé ces structures. En conclusion, nous avons identifié de nouvelles activités pour les complexes Polycomb PRC1 et PRC2 qui les lient à la formation, la reconnaissance et la résolution de R-loops. / Polycomb group (PcG) proteins are conserved, essential proteins, which assemble in two main complexes, PRC1 and PRC2, which are targeted to chromatin and stably repress gene expression. In Drosophila melanogaster, Polycomb complexes are targeted to DNA elements called Polycomb response elements (PREs) to repress transcription. PREs are switchable memory elements that can maintain either gene repression or gene activation. Despite decades of study, fundamental questions about how the PcG system functions remain. These include: 1) how PcG proteins are targeted to PREs only in the appropriate developmental context, and how PREs can mediate both stable activation and repression; 2) how PcG complexes repress transcription, and whether it involves novel biochemical mechanisms and interactions; 3) how PcG repression can be propagated through cell cycles. The search for new biochemical activities for PcG complexes that may answer these questions is the topic of this thesis. PREs are transcribed into RNAs which may give the context specificity to recruit PcG proteins. We hypothesized that R-loops may form at PREs, and be recognized by PcG complexes, which we tested in Chapter 2. We identified R-loop forming sequences in Drosophila melanogaster embryos and tissue culture cells, and found that ~30% of the PREs form R-loops. We found that PREs which have formed R-loops are more likely to be bound by PcG proteins both in vivo and in vitro. PRC2 binds to thousand RNA in vivo but no clear activity has been associated with it. Using in vitro assays, we identified a strand exchange activity for PRC2 which induces the formation of RNA-DNA hybrid, the main part of an R-loop. In this chapter, we have found that PREs form R-loops and are involved in the targeting of PcG proteins which induce stable gene repression. We have discovered an RNA strand exchange activity for PRC2 which may involve this Polycomb complex in the formation of R-loops in vivo. In Chapter 3, we identified a type I topoisomerase-like activity associated with PRC1 and the C-terminal region of its subunit PSC (PSC-CTR). PRC1 and PSC-CTR can relax a negatively supercoiled plasmid and add negative coils to a relaxed plasmid in absence of topoisomerase. This activity suggests regulation of DNA topology may be a novel mechanism used by PcG complexes. PRC1 can resolve R-loops formed on negatively supercoiled DNA in vitro. One role for the topoisomerase-like activity may be to regulate R-loops, whose stability of depends on both the DNA sequence and the topology of the surrounding DNA, in vivo. In this thesis, we identified new activities for Polycomb group complexes: an RNA strand exchange activity for PRC2 and a topoisomerase-like activity for PRC1. Both activities link PcG complexes to the formation and resolution of R-loops. In addition, both complexes can recognize R-loops and are recruited to PREs which have formed these structures. In conclusion, we have identified new nucleic acid-based activities for the Polycomb complexes PRC1 and PRC2, which link them to the formation, recognition and resolution of R-loops.

Les télomères forment la structure qui coiffe les extrémités des chromosomes. Ils sont essentiels pour protéger l’intégrité génomique. À cause du problème de fin de réplication, les télomères raccourcissent à chaque division cellulaire, menant à l’arrêt du cycle cellulaire, à la sénescence et à la mort cellulaire. Pour contrevenir au raccourcissement des télomères, les cellules immortalisées et hautement prolifératives, ainsi que la plupart des eucaryotes unicellulaires tels que Saccharomyces cerevisiae, expriment la télomérase, un complexe ribonucléoprotéique enzymatique qui rallonge les télomères. Pour permettre le maintien de la longueur des télomères et assurer l’intégrité du génome, plusieurs régulateurs contrôlent le recrutement et l’activité de la télomérase, s’assurant du ciblage précis de l’activité de la télomérase à ses substrats. Aux télomères, un dérèglement des mécanismes de régulation de la télomérase peut mener au raccourcissement des télomères, à des fusions de chromosomes et au développement d’un potentiel cancéreux. La télomérase peut aussi agir aux cassures d’ADN où son activité se traduit par l’ajout de novo d’un télomère et conduit à la perte de matériel génétique, à l’instabilité génomique et possiblement à la mort cellulaire. Son recrutement et son activité y sont donc inhibés. Les mécanismes par lesquels la cellule régule l’activité de la télomérase aux télomères et aux cassures d’ADN restent encore peu connus. De plus, en réponse à certains stress, ces mécanismes peuvent être altérés. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d’étudier les régulateurs de l’activité de la télomérase et l’impact de certains stress cellulaires sur cette régulation. Dans la première partie, nous avons étudié la localisation de l’ARN TLC1, la sous-unité ARN de la télomérase, à travers le cycle cellulaire chez S. cerevisiae. Alors que cet ARN est majoritairement dans le nucléoplasme en G1/S, il démontre une accumulation nucléolaire en phase G2/M du cycle cellulaire. Chez la levure, la réparation des cassures d’ADN se fait majoritairement par recombinaison homologue et est exclue du nucléole. Dans ce contexte, nous avons formulé l’hypothèse que l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléole en G2/M constitue un mécanisme par lequel l’ajout de novo de télomère est inhibé aux cassures d’ADN. Nous avons fixé comme buts de caractériser les mécanismes régulant l’accumulation nucléolaire de l’ARN TCL1 et d’étudier comment la présence de dommage à l’ADN influence cette régulation. Nous avons pu montrer que la localisation nucléolaire de l’ARN TLC1 dépend de l’hélicase Pif1, de la protéine de la recombinaison homologue Rad52 et que la présence de dommage à l’ADN et l’absence de Rad52 influence le trafic nucléaire de cet ARN. Dans ces conditions, la protéine de la recombinaison homologue Rad51 permet l’accumulation de Cdc13 aux cassures et favorise l’accumulation de l’ARN TLC1 au nucléoplasme et aux cassures d’ADN. Cette accumulation est dépendante de la SUMO ligase Siz1 et mène à une augmentation d’ajout de novo de télomère aux sites de cassures d’ADN. Pour pouvoir quantifier l’augmentation d’ajout de novo de télomère, nous avons développé une nouvelle approche basée sur le séquençage haut-débit de type Illumina pour identifier et quantifier les événements d’ajout de novo de télomère sur le génome entier de manière non-biaisée. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les mécanismes contrôlant l’expression d’un régulateur de la télomérase nommé TERRA (telomeric repeats containing RNA). TERRA est un long ARN non-codant qui est transcrit à partir des régions sous-télomériques jusqu’aux répétitions télomériques. Chez S. cerevisiae, l’expression de TERRA est inhibée au niveau de sa transcription par le complexe SIR et au niveau de sa dégradation par l’exonucléase Rat1. Pourtant, les télomères courts expriment TERRA à des niveaux élevés. Cette augmentation de l’expression de TERRA permet de concentrer et de cibler l’activité de la télomérase aux télomères courts. En étudiant l’expression de TERRA, nous avons remarqué que les télomères exprimant cet ARN démontrent une perte prématurée de leur cohésion en phase S du cycle cellulaire. Nous pensons que l’organisation structurelle des télomères et, plus particulièrement, la cohésion télomérique participe à la régulation de l’expression de TERRA. De plus, plusieurs groupes ont montré que l’expression de TERRA était régulée en réponse à plusieurs stress, de façon indépendante de la taille des télomères. Dans ce contexte, nous formulons l’hypothèse que le stress oxydatif et les changements métaboliques induits durant la transition diauxique influence l’expression de TERRA. Pour cette partie de la thèse, nous avions comme but d’étudier comment l’expression de TERRA étaient régulé par les changements métaboliques comme la transition diauxique et d’étudier le rôle joué par le complexe de la cohésine dans la régulation de l’expression de TERRA. Nous avons montré que les télomères courts montrent une perte de cohésion prématurée en début de phase S, ce qui favorise l’expression de TERRA en cis. Alors qu’une perte de fonction partielle de la cohésine résulte en une augmentation de l’expression de TERRA, la rétention forcée de cohésine à un télomère court réprime sa transcription. Cette perte de cohésion aux télomères courts est dépendante de Sir4 mais indépendante de Sir2, ce qui suggère que le rôle de Sir4 dans l’ancrage des télomères à la membrane nucléaire pourrait être impliqué dans ce phénomène. Nous avons également montré que la transcription de TERRA est induite durant la transition diauxique, une phase de croissance cellulaire où, suite à la déplétion du glucose, les cellules adaptent leur métabolisme en faveur de la respiration oxydative. Cette augmentation d’expression coïncide avec l’accumulation cytoplasmique de TERRA. Ensemble, les travaux présentés dans cette thèse explorent les liens entre les stress cellulaires tels que les dommages à l’ADN, le raccourcissement télomérique, le stress oxydatif et le métabolisme cellulaire, et leur impact sur le trafic de la télomérase et l’expression de son régulateur TERRA. / Telomeres constitute the structure at the end of linear chromosomes which is essential to protect genome integrity. Due to the end-replication problem, telomeres get shorter with every cell division, leading to cell cycle arrest, senescence and cell death. To counteract telomere shortening, highly proliferative cells and most unicellular eukaryotes, like Saccharomyces cerevisiae, express telomerase, a ribonucleoprotein enzyme that elongates telomeres. Many regulatory pathways affect telomerase activity and recruitment to assure precise targeting of telomerase activity to its proper substrate, the telomeres. Impairing these pathways can lead to telomere shortening, end-to-end chromosome fusions and immortalization. Telomerase can also be recruited at double strand breaks (DSBs), where its activity leads to de novo telomere additions which induce genomic instability, loss of genetic information and possibly cell death. For this reason, telomerase recruitment and activity is strongly inhibited at DSB. However, the mechanisms behind this regulation are still poorly understood. Furthermore, many cellular stresses affect telomerase regulation at telomeres and DSBs. Our goal is to study the regulation of telomerase activity and the impact of cellular stresses on this regulation. In the first part of this thesis, we looked at the cell cycle localization of the Saccharomyces cerevisiae RNA subunit of the telomerase, TLC1 RNA. While TLC1 RNA is mostly in the nucleoplasm in G1/S, it accumulates in the nucleolus in G2/M. In yeast, the most common DSB repair pathway is homologous recombination (HR). As HR is mostly excluded from the nucleolus in G2/M, we propose that the accumulation of TLC1 RNA in the nucleolus in G2/M may represent a regulatory pathway that repress de novo telomere addition by physically separating telomerase from sites of DNA repair by HR. We aim to characterize the mechanisms by which TLC1 RNA localization is regulated and how the presence of DSB affects this trafficking. We were able to show that the nucleolar localization of TLC1 RNA is dependent on the Pif1 helicase and on the HR protein Rad52. Furthermore, we showed that the presence of DSBs and the absence of Rad52 alter the nuclear trafficking of TLC1 RNA. In these conditions, Rad51 favors the accumulation of Cdc13 at DSBs and promotes the nucleoplasmic accumulation of TLC1 RNA. This accumulation is dependent on the SUMO ligase Siz1 and leads to an increased addition of de novo telomere at DNA breaks. In order to identify de novo telomere addition events genome-wide, we developed an unbiased genome-wide technique based on Illumina sequencing of genomic DNA. In the second part of this thesis, we studied another regulator of telomerase activity, the long non-coding RNA (lncRNA) TERRA (telomeric repeats-containing RNA), which is transcribed from subtelomeric regions through the telomeric tracts. In S. cerevisiae, TERRA expression is controlled at the transcriptional level by the SIR complex and its degradation by the exonuclease Rat1. Nevertheless, short telomeres escape transcriptional inhibition and degradation to express TERRA at higher levels. TERRA serves as a regulator of telomerase, allowing the concentration and the targeting of telomerase activity to short telomeres. While studying TERRA expression, we observed that TERRA-expressing telomeres display a premature S-phase loss of cohesion. We propose that cohesin and telomere cohesion are regulators of TERRA expression. In addition, other groups have shown that TERRA expression was regulated in response to different cellular stress. This regulation seems to be independent from telomere length. In these contexts, we propose that oxidative stress and metabolic changes induced during the diauxic shift affect TERRA expression. We aim to study how the diauxic shift affects TERRA expression and study the role of cohesin in regulating TERRA expression. We were able to show that telomere cohesion inhibits TERRA expression and that short telomeres display a premature loss of cohesion to allow TERRA expression. This loss of cohesion is dependent on Sir4 and probably on Sir4-mediated telomere anchoring at the nuclear membrane. Additionally, we showed that TERRA transcription is increased during the diauxic shift, when yeast cells switch from fermentative glycolysis to oxidative respiration. Yeast cells in this phase also display a cytoplasmic accumulation of TERRA molecules. Altogether, the articles presented in this thesis explore the interplay between cellular stresses such as DNA damage, telomere shortening, oxidative stress and respiratory metabolism, and their roles in the regulation of the localisation and expression of TLC1 RNA and TERRA.

Les extrémités des chromosomes contiennent des répétitions de séquences d’ADN appelées télomères qui empêchent l’activation inopportune de la réponse aux dommages de l'ADN afin de préserver l'intégrité génomique. Les télomères raccourcissent à chaque cycle de réplication d’ADN et la télomérase a pour fonction de contrebalancer cette érosion en allongeant les télomères. Les cellules somatiques n’expriment pas la télomérase, donc leur durée de vie est normalement limitée par ce raccourcissement progressif des télomères qui conduit à l'activation de la voie p53 entraînant un arrêt de la croissance cellulaire. En revanche, les cellules cancéreuses acquièrent l'immortalité cellulaire principalement en réactivant la télomérase ou en utilisant des méthodes alternatives d'allongement des télomères basées sur la recombinaison d’ADN. Auparavant, dans notre laboratoire, un criblage CRISPR à l'échelle du génome a été réalisé dans la lignée cellulaire pré-B NALM-6 traitée avec la molécule BIBR1532, un inhibiteur de la télomérase. Ces résultats suggéraient que cinq sous-unités du complexe de remodelage de la chromatine INO80, lorsque supprimées indépendamment, réduisaient la prolifération des cellules ayant un raccourcissement des télomères induit par le BIBR1532. Mon objectif était d'étudier cette interaction génétique afin de comprendre les processus biologiques impliqués dans cette létalité synthétique. Après l'élimination des gènes codant à la fois pour la sous-unité enzymatique de la télomérase humaine (hTERT) ainsi que les sous-unités spécifiques du complexe INO80 humain, nous avons constaté que les cellules double-négatives avaient une capacité proliférative réduite, ce qui démontre que l’interaction génétique mesurée par criblage CRISPR est bel et bien spécifique. Étant donné le rôle du facteur de transcription p53 dans la réponse cellulaire au raccourcissement télomérique, nous avons exploré l’importance de cette voie de signalisation pour l’interaction entre le complexe INO80 humain et la télomérase. Après l’activation de p53 avec un traitement avec la molécule nutlin-3a, les niveaux d'expression de plusieurs cibles de p53 tels que MDM2 et CDKN1A ont augmenté dans les cellules ayant une délétion du gène NFRKB, codant pour une sous-unité du complexe INO80 humain. Les cellules ayant une délétion du gène UCHL5, codant pour le partenaire d’interaction de NFRKB, ont également montré une augmentation de l’expression de MDM2 lorsque traitées avec nutlin-3a. Enfin, la perte de télomérase (hTERT) modifie les niveaux d'expression des composants de la 2 voie p53 CDKN1A, BAX et MDM2. En conclusion, la suppression des gènes codant pour des sous-unités du complexe INO80 telles que NFRKB ou UCHL5 est nuisible aux cellules ayant une délétion de la télomérase. Le complexe INO80 humain peut être impliqué dans l'inhibition de la voie p53, en réponse à l'activation de p53 soit par des télomères courts ou avec un traitement avec nutlin-3a. Des recherches plus approfondies sur cette interaction génétique pourraient mener au développement de nouvelles thérapies combinatoires afin d’inhiber la croissance des cellules cancéreuses. / The ends of chromosomes contain telomeric repeats that prevent the DNA damage response from being activated in order to preserve genomic integrity. Telomerase functions to alleviate incomplete DNA replication at telomeres, and to repair those telomeres damaged by various means including oxidative damage. The lifespan of telomerase negative somatic cells is normally restricted by gradual telomere shortening which can lead to the activation of the p53 pathway resulting in cellular growth arrest. Cancer cells often elongate their telomeres in order to acquire cellular immortality predominantly by reactivating telomerase or by using recombination-based, alternative telomere lengthening methods. Previously in our lab, a genome-wide CRISPR screen was conducted in the pre-B cell line NALM-6 treated with a small molecule inhibitor of telomerase, BIBR1532. These previous results suggested that five subunits of the INO80 chromatin-remodeling complex, when independently deleted, reduced cellular proliferation in cells with BIBR1532 induced telomere shortening. My goal was to investigate this genetic interaction in order to understand the biological processes implicated in this synthetic lethal relationship. After the knockout of the genes encoding both the enzymatic subunit of human telomerase (hTERT) and specific subunits of the human INO80 complex, I found that the proliferative capacity of NALM-6 cells was reduced. This result indicates the genetic interaction identified by CRISPR screening is in fact specific. In addition, after p53 stimulation with nutlin-3a treatment, expression levels of the p53 pathway component MDM2 were altered after the knockout of the genes encoding specific subunits of the human INO80 complex, NFRKB and UCHL5, individually. CDKN1A expression was also altered after nutlin-3a treatment and NFRKB knockout. Finally, the loss of telomerase (hTERT) alters the expression levels of the p53 pathway components CDKN1A, BAX and MDM2. In conclusion, the deletion of the genes encoding specific subunits of the INO80 complex, including NFRKB and UCHL5, is harmful to cells after hTERT knockout. The human INO80 complex may be involved in inhibiting the p53 pathway, in response to p53 activation by short telomeres or nutlin-3a treatment. Further investigation into this synthetic lethal relationship may shed light on new combinatorial therapeutics in cancer.

Le système ubiquitine-protéasome représente une plateforme de signalisation cellulaire chez les eucaryotes et joue un rôle majeur dans la coordination des processus cellulaires. Des progrès récents suggèrent que l’ubiquitination joue un rôle important dans les phénomènes de séparation de phase liquide-liquide (LLPS), un processus permettant la localisation d’une quantité accrue de protéines dans un compartiment subcellulaire, afin de réaliser une fonction biologique. En effet, il a été démontré que l’ubiquitination joue un rôle central dans les mécanismes qui gouvernent la LLPS durant la formation des granules de stress dans le cytoplasme ou les foci de réparation de l’ADN dans le noyau. D’autre part, chez la levure, des travaux ont montré que le protéasome est capable de s’assembler sous forme de granules dans le cytoplasme suite à un stress métabolique. Toutefois, les mécanismes par lesquels le système ubiquitine-protéasome ainsi que ses régulateurs contrôlent les processus de LLPS restent à déterminer. Dans la première étude de cette thèse, nous avons investigué le mécanisme d’action de la déubiquitinase USP16, qui a été suggérée comme un régulateur négatif de la LLPS, empêchant la formation des foci de réparations de dommages à l’ADN. Cependant, nos résultats démontrent que USP16 est majoritairement cytoplasmique et que seulement une entrée forcée de USP16 dans le noyau empêche la formation des foci de réparation des cassures double brin induites par des radiations ionisagntes et ce en favorisant la déubiquitination de l’histone H2A. De plus, aucune translocation nucléaire de USP16 n’a été observée durant le cycle cellulaire ou suite à des dommages à l’ADN. Nos travaux montrent que USP16 est activement exclue du noyau via son signal d’export nucléaire et régulerait indirectement la LLPS menant à la formation des foci de réparation de l’ADN. Dans la deuxième étude, nous décrivons le comportement dynamique des protéines du protéasome lors d’une LLPS induite par un stress métabolique. Nos résultats indiquent que le protéasome forme des foci distincts dans le noyau des cellules humaines en réponse à une privation de nutriments. Nous avons constaté que ces foci sont enrichis en ubiquitine conjuguée et nous avons démontré que le récepteur d’ubiquitine Rad23B ainsi que l’absence des acides aminés non essentiels sont des éléments clés nécessaires à l’assemblage de ces foci du iv protéasome. De plus, des expériences de survie cellulaire montrent que la présence de ces foci est associée à la mort des cellules par apoptose. En conclusion, nos travaux mettent en lumière l’importance du système ubiquitine-protéasome dans la formation et la régulation des foci cellulaires suite à une LLPS. De même, cette étude aidera également à approfondir notre compréhension sur les mécanismes qui gouvernent l’homéostasie des protéines, la survie cellulaire et le développement du cancer. / The ubiquitin-proteasome system represents a major cell-signaling platform in eukaryotes and plays a pivotal role in the coordination of cellular processes. Recent studies provided evidence that ubiquitination plays a role in liquid-liquid phase separation (LLPS), a process that results in the localization of highly increased levels of a protein in a defined subcellular compartment, in order to achieve a biological function. Indeed, ubiquitination has been shown to play a central role in the mechanisms that govern LLPS and subsequent formation of stress granules in the cytoplasm or the DNA repair foci in the nucleus. On the other hand, several studies have shown that the proteasome itself is able to form granules in the cytoplasm following metabolic stress in yeasts. However, the mechanisms by which the ubiquitin-proteasome system and its regulators control LLPS processes remain to be determined. In the first study of this thesis, we investigated the mechanism of action of USP16 deubiquitinase, which has been suggested as a negative regulator of LLPS preventing the formation of DNA damage repair foci. However, our results demonstrate that USP16 is predominantly cytoplasmic and that only enforced nuclear entry of USP16 prevents the formation of repair foci after double strand breaks induced by ionizing radiation, and this by promoting the deubiquitination of histone H2A. In addition, no nuclear translocation of USP16 was observed during cell cycle or following DNA damage. Our study shows that USP16 is actively excluded from the nucleus via its nuclear export signal and would indirectly regulate LLPS that lead to DNA repair foci. In the second study, we describe the dynamic behavior of proteasome proteins during metabolic stress, a process that involves LLPS. Our results indicate that the proteasome forms distinct foci in the nucleus of human cells in response to nutrients deprivation. We found that these foci are enriched with conjugated ubiquitin and demonstrated that the ubiquitin receptor Rad23B as well as the absence of nonessential amino acids are the key elements necessary for the assembly of these proteasome foci. In addition, cell survival experiments show that the presence of these foci is associated with cell death by apoptosis. In conclusion, our work has shed new light on the importance of the ubiquitin-proteasome system in the formation and regulation of cell foci following LLPS. Likewise, this vi study will also help deepen our understanding of the mechanisms leading to protein homeostasis, cell survival and cancer development.

PD-1 (Programmed Cell death protein -1) est un récepteur co-inhibiteur exprimé à la surface de lymphocytes T (LT) activés. Ce récepteur joue un rôle important dans le maintien de la tolérance périphérique tout en protégeant contre les maladies auto-immunes et inflammatoires. Cependant, une expression élevée et permanente de PD-1 et ses ligands PD-L1 et PD-L2 (PD-Ls) perturbe la réponse immunitaire contre les pathogènes et les cellules tumorales. Les inhibiteurs de points de contrôle immunitaires (ICI) ciblant l'axe PD-1/PD-Ls représentent aujourd’hui une avancé majeure dans le traitement de différents types de cancer, tant sur le plan de l’efficacité que de la tolérance. Le nivolumab (nivo) et le pembrolizumab (pembro) sont deux anticorps monoclonaux (AcM) anti-PD-1 qui bloquent l’interaction de PD-1 avec ses ligands. Ces AcM ont montré des résultats prometteurs dans le traitement de multiples types de cancers comme le mélanome, le cancer bronchique non à petites cellules, le carcinome à cellules rénales, etc. Malgré l’importance thérapeutique de nivo et de pembro dans le cancer, aucune étude n’a défini le devenir de PD-1 après la liaison à ces deux AcM. L’objectif de cette étude a été donc d’évaluer l’endocytose de PD-1 suite au liaison à des AcM anti-PD-1 (clone J110, nivo, pembro) et de déterminer s’il y a différence entre nivo et pembro vis à vis leur capacités à induire l'internalisation de PD-1. L’étude de l’endocytose de PD-1 a été réalisé sur des LT humains obtenus à partir du sang périphérique de donneurs sains et activés avec des Ac anti-CD3/anti-CD28 ou concanavaline A afin d’exprimer le récepteur PD-1. L’analyse des données par cytométrie en flux a montré que l’engagement de PD-1 avec l’Ac anti-PD-1 (clone J110) induit son endocytose dans les LT humains et que 50% de la totalité de PD-1 de surface est internalisé dans les premiers 30 minutes suivant l’incubation de cellules à 37°C, suivi d’un taux d’endocytose plus lent (56% en 60min). Notre étude a montré également que la liaison de nivo et de pembro au PD-1 induit son endocytose et que la plupart de récepteur est internalisée dans les 30 min suivant l’incubation de cellules à 37°C. Toutefois, 32 à 50% des récepteurs sont résistants à l’endocytose. L’analyse comparative de nivo et de pembro a révélé une différence statistiquement significative (p=0.03) entre le taux d’internalisation du complexe PD-1/nivo et celui du PD-1/pembro (46% versus 25% en 30min, respectivement). Même à des concentrations élevées de pembro, la liaison de nivo induit une meilleure internalisation de PD-1, ce qui suggère que nivo pourrait être plus efficace. Bien que les ICI comme nivo et pembro sont connus de bloquer l’interaction de PD-1 avec ses ligands, PD-L1 et PD-L2, notre étude a montré pour la première fois que ce deux AcM induisent aussi l’endocytose du récepteur PD-1 dans les LT humains avec des taux différents, et que 32% à 50% de récepteurs PD-1 sont résistants à l’endocytose. Ces résultats pourraient être exploités pour améliorer l’internalisation de PD-1 dans les LT humains et par la suite augmenter les potentiels thérapeutiques de nivolumab et de pembrolizumab dans le traitement du cancer. Mots clés : Récepteur PD-1, Ligands de PD-1, Lymphocytes T, Inhibiteurs de point de contrôle immunitaires, Anticorps anti-PD-1, Nivolumab, Pembrolizumab, Endocytose, Cancer / PD-1 (Programmed Cell death protein -1) is a co-inhibitory receptor expressed on the surface of activated T cells. It plays an important role in maintaining peripheral tolerance and protecting against autoimmune and inflammatory diseases. However, permanent expression of PD-1 and its ligands PD-L1/ PD-L2 (PD-Ls) disrupts the immune response against pathogens and tumor cells. Immune checkpoint blockade (ICB) targeting the PD-1/PD-Ls axis has revolutionized the treatment of many cancers. Nivolumab (nivo) and pembrolizumab (pembro) are two anti-PD-1 monoclonal antibodies (mAb) that block the interaction between PD-1 and its ligands. They have shown promising results in the treatment of multiple types of cancers such as melanoma, non-small cell lung cancer, renal cell carcinoma, etc. Surprisingly, despite the success of anti-PD-1 in cancer immunotherapy, no-one has defined the destiny of surface PD-1 following antibody binding. Therefore, the objective of my master thesis was to define the fate of surface PD-1 following antibody binding and whether different anti-PD-1 Abs in the clinic differ in their ability to induce PD-1 endocytosis. The study of PD-1 endocytosis was performed on human T lymphocytes obtained from peripheral blood of healthy donors and activated with anti-CD3/anti-CD28 Ab or concanavalin A to express PD-1 receptor. Data analysis by flow cytometry showed that following anti-PD-1 Ab binding, 50% of PD-1 becomes endocytosed by 30min. In addition, we found that the PD-1 receptor is internalised upon its engagement with nivo and pembro and that most of the receptor is endocytosed within 30 min. However, 32 to 50% of the receptors are resistant to endocytosis. The comparative analysis of nivo and pembro has revealed a statistically significant difference (p=0.03) between the internalisation rate of the PD-1/nivo complex versus PD-1/pembro (46% versus 25% by 30min, respectively). Even at high concentrations of pembro, nivo induces better internalization of PD-1, suggesting that nivo could be more effective than pembro. Our study showed for the first time that ICB involves not only in the blockade of PD-1/PD-Ls interaction, but also in the endocytosis of PD-1 receptors from the surface of human T-cells, which differs between nivolumab and pembrolizumab. These results could be exploited to increase the therapeutic potential of nivolumab and pembrolizumab in cancer treatment. Keywords: PD-1 receptor, PD-1 ligands, T lymphocytes, Immune checkpoint blockade, Anti-PD1 antibodies, Nivolumab, Pembrolizumab, Endocytosis, Cancer

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