Afin de transmettre leurs informations génétiques d'une génération à l'autre, les organismes à reproduction sexuée doivent réduire de moitié leur contenu chromosomique pour former des gamètes haploïdes. Cette réduction se produit lors d'une division cellulaire appelée méiose, durant laquelle une étape de réplication est suivie de deux divisions successives, la méiose I et II. Au cours de la méiose I, les chromosomes homologues se séparent et leur bonne ségrégation dépend de la création entre eux d’un lien physique. En méiose c’est le processus de réparation appelé recombinaison homologue, qui à la suite de l’induction dans le génome de centaine de cassures double brin par la protéine Spo11, permet d’établir ce lien. Spo11 est l'orthologue méiotique de la sous-unité catalytique de la topoisomérase VI, TopoVIA. Comme TopoVI est composée de deux sous-unités, TopoVIA et TopoVIB, l’existence d’un orthologue méiotique de TopoVIB était une question posée depuis l'identification de Spo11. Au cours de ma thèse, j'ai contribué à identifier une nouvelle famille de protéine, que l’on a nommé TopoVIB-like, orthologue à TopoVIB et nécessaire à la formation des cassures double-brin d'ADN méiotiques(Robert et al, 2016). Ces protéines ont des domaines similaires à ceux de TopoVIB, à savoir un GHKL (impliqué dans la liaison et l'hydrolyse de l'ATP), un domaine transducteur et un domaine CTD. Nous avons démontré que chez la souris, SPO11 forme un complexe avec TOPOVIBL. De plus, nous avons démontré que cette protéine est nécessaire à la formation des CDB. Ces résultats suggèrent que chez la souris, les CDB méiotiques sont catalysées par un complexe TopoVI-like. Chez S. cerevisiae, il n'y a pas d'orthologue clair de TopoVIB, mais nous avons trouvé que la protéine Rec102, connue pour être nécessaire à la formation des CDB méiotiques, présente une homologie partielle avec le domaine transducteur des TopoVIB-like. Rec102 forme un complexe avec Rec104, une protéine également requise pour la formation des CDB. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que le complexe Rec102 / Rec104 était l'orthologue méiotique de TopoVIB chez la levure, interagissant avec Spo11 pour former un complexe de type TopoVI-like. Malgré l'importance de Spo11, son mode d'action est mal connu. Cette absence de données biochimiques est due à l’insolubilité de la protéine. Le but de ma thèse était de caractériser le mode d'action et la régulation du complexe TopoVI-like dans la formation des CDB méiotiques. Tout d'abord, biochimiquement, en purifiant in vitro une forme soluble du complexe TopoVI-like de levure composé de Spo11 / Rec102 / Rec104 / Ski8 (un partenaire direct de Spo11) en co-exprimant ces protéines dans deux systèmes d'expression, E. coli et S. cerevisiae. En utilisant E. coli, j'ai réussi à purifier un complexe soluble formé par Spo11 / Rec102 / Rec104 / Ski8 et en utilisant S. cerevisiae, j'ai purifié deux complexes différents, l'un formé par les quatre protéines, et un formé uniquement par Spo11 et Rec102. Néanmoins, les tests d'activité sur différents substrats d'ADN n'ont révélé aucune activité de coupure de l’ADN. Le deuxième objectif de ma thèse était d'étudier comment, chez la souris, TOPOVIBL régule l'activité de SPO11 en interagissant avec d'autres protéines nécessaires à la formation des CDB. En double hybride, j'ai prouvé que, comme chez la levure, l'orthologue méiotique de TopoVIB chez la souris interagissait avec REC114, une autre protéine nécessaire à la formation des CDB. La cartographie de cette interaction à l'échelle de l’acide aminé a conduit à l'identification d'un résidu sur TOPOVIBL essentiel pour l'interaction entre TOPOVIBL et REC114. Afin d'étudier in vivo le rôle de l'interaction entre TOPOVIBL et REC114, une souris mutante pour le résidu identifié de TOPOVIBL a été générée à l'aide de CRISPER-Cas9 et son phénotype a été analysé. / To properly transmit their genetic information from one generation to another, sexually reproductive organisms need to halve their genome to form haploid gametes. This reduction occurs during a special cell division called meiosis, which proceeds through one round of DNA replication followed by two successive divisions called meiosis I and II. During meiosis I homologous chromosomes segregate, and their proper segregation depends on the homologous recombination pathway that establishes a physical link between the homologues. During meiosis, homologous recombination events are triggered by the formation of DNA double strand break (DSB) catalyzed by the evolutionarily conserved Spo11 protein. Spo11 is the meiotic ortholog of the catalytic subunit of the TopoVI topoisomerase, TopoVIA. As TopoVI is composed of two subunits, TopoVIA and TopoVIB, the requirement for meiotic DSB formation of a B subunit was under investigation since the identification of Spo11. During my PhD, I contributed to the identification of a new family of protein, the TopoVIB-like family, ortholog to the Topoisomerase VI B subunit (TopoVIB) and required for meiotic DNA double strand break formation (Robert et al, 2016). These proteins share domains in part similar to the canonical TopoVIB which are a GHKL domain (involved in ATP binding and hydrolysis), a transducer domain and a CTD domain. We demonstrated that in mice, SPO11 forms a complex with TOPOVIBL. Biochemical characterization of this complex showed a structure compatible with an A2B2 organization. Furthermore, we demonstrated that this protein is required for meiotic DSB formation. These results suggest the existence, in mice, of a TopoVI-like complex that catalyzes the formation of meiotic DSB. In S. cerevisiae, there is no clear TopoVIB-like ortholog, but we found that the Rec102 protein, which is known to be required for the formation of meiotic DSB, shows a partial homology with the transducer domain of the TopoVIB-like proteins. Rec102 forms a complex with Rec104, a protein also essential for DSB formation. Thus, we hypothesized that the Rec102/Rec104 complex is the yeast meiotic ortholog of TopoVIB, interacting with Spo11 to form a meiotic TopoVI-like complex. Despite the importance of Spo11 little is known about its mode of action. This absence of biochemical data is due to the lack of solubility of the protein. The aim of my PhD was to characterize the mode of action and regulation of the TopoVI-like complex for meiotic DSB formation. First, biochemically, by purifying in vitro a soluble form of the yeast TopoVI-like complex composed by Spo11/Rec102/Rec104/Ski8. To achieve this objective, I co-expressed these proteins in two different expression systems, E. coli and meiotic culture of S. cerevisiae. Using E. coli I managed to purify a soluble complex formed by Spo11/Rec102/Rec104/Ski8, and using meiotic culture of S. cerevisiae, I purified two different complexes, one formed, by the four proteins, and one formed only by Spo11 and Rec102. Nevertheless, in vitro activity essays on different DNA substrates did not reveal any DNA cleavage activity. The second goal of my PhD was to study how in mouse, the activity of TOPOVIBL / SPO11 may be regulated by other proteins known to be required for DSB formation. Using Y2H experiment I was able to prove that, as in yeast, mouse TOPOVIBL interacts with REC114, a protein required for DSB formation. The mapping of this interaction at the amino-acid scale, leads to the identification of one residue on TOPOVIBL essential for the interaction between TOPOVIBL and REC114. In order to investigate in vivo the role of the interaction between TOPOVIBL and REC114, a mutant mouse carrying a mutation in the identified residue of TOPOVIBL was generated using CRISPER-Cas9, and its phenotype analyzed.

Les cassures Double-brin de l'ADN (DSBs) sont une menace majeure pour la stabilité du génome. Afin de se protéger des effets délétères de ces dommages, les cellules activent une voie de réponse aux cassures double-brins (DDR) qui comprend des évènements qui conduisent à la reconnaissance et à la réparation de ces cassures ainsi qu'à un délai du cycle cellulaire. Cette DDR repose largement sur 2 membres de la famille des PI3K-like kinase, ataxia telangiectasia mutated (ATM) et DNA Protein Kinase (DNAPK) dont les fonctions respectives lors de la réparation restent controversées. Grâce à l'utilisation d'une lignée cellulaire contenant l'enzyme de restriction AsiSI combinée à de la cartographie par ChIP-chip, de l'analyse de la réparation de cassures séquence-spécifique ainsi qu'à de la microscopie haute résolution, j'ai pu, au cours de ma thèse mettre en évidence que aussi bien ATM que DNAPK sont recrutées sur une région confinée autour des DSBs. Cependant, une fois recrutées, elles présentent des fonctions non-redondantes que ce soit pour la ligation des cassures ou pour l'établissement des domaines yH2AX. Concernant la réparation, DNAPK est absolument requise pour la ligation des extrémités de la cassure alors que ATM est dispensable mais promeut la fidélité. En revanche, ATM est la principale kinase requise pour l'établissement des domaines yH2AX et ce quelque soit la cassure. J'ai aussi pu mettre en évidence le fait que plusieurs cassures induites par AsiSI sont capables de se regrouper au sein d'un "foyer de réparation" et ce de manière dépendante d'ATM et indépendante de DNAPK. Cette étude éclaircit les rôles respectifs des kinases ATM et DNAPK que ce soit pour la ligation des extrémités ou l'établissement des domaines yH2AX. Enfin elle a permis de mettre en évidence un nouveau rôle d'ATM dans l'organisation spatiale de la réparation et plus précisemment dans le regroupement de plusieurs DSBs au sein de "foyers de réparation" afin d'être réparées. / DNA Double Strand Breaks (DSBs) form a major threat to the genome stability. To circumvent the deleterious effects of DSBs, cells activate the DNA damage response (DDR), which comprises events that lead to detection and repair of these lesions, as well as a delay in cell cycle progression. This DDR largely rely on two members of the PI3K-like kinase family : ataxia telangiectasia mutated (ATM) and DNA Protein Kinase (DNAPK), whose respective functions during the DDR remains controversial. Using a cell line, expressing the AsiSI restriction enzyme, combined with high resolution ChIP-chip mapping, sequence-specific DSB repair kinetics analysis and advanced high resolution microscopy, we uncovered that both ATM and DNA-PK are recruited to a confined region surrounding DSBs. However, once present at the DSB site, they exhibit non-overlapping functions on end-joining and yH2AX domain establishment. At the repair level, DNAPK is absolutely required for end-joining while ATM is dispensable although promoting repair fidelity. By contrast, ATM is the main kinase required for the establishment of the histone mark yH2AX at all breaks. We also clearly demonstrated that multiple AsiSI-induced DSBs are able to associate within "repair foci", in a manner that strictly depends on ATM, but not DNAPK, activity. Our study shed light on the respective roles of ATM and DNAPK regarding end joining and yH2AX domain establishment. Lastly it allowed us to uncover a function of ATM in the spatial organisation of the repair, more precisely in the clustering of multiple breaks within "repair foci" in order to be repaired.

Les mitochondries sont des organites qui possèdent leur propre ADN (ADNmt), codant pour des gènes de la chaine respiratoire. La réparation des dommages dus aux ROS, une réplication défectueuse ou d’autres sources exogènes tels des agents chimiothérapeutiques ou des irradiations ionisantes peuvent générer des cassures double-brin (CDB) de l’ADNmt. L’ADNmt code pour des protéines essentielles à la production d’énergie, et des systèmes de maintenance de l’intégrité de ce génome efficaces sont donc nécessaires pour la viabilité des cellules. En effet des mutations de l’ADNmt sont présentes dans de nombreuses pathologies comme les myopathies mitochondriales, les cancers et les maladies neurodégénératives. Cependant les processus responsables de la maintenance de l’ADNmt suite à des CDB restent controversés.Pour élucider les mécanismes impliqués, nous avons généré des CDB mitochondriales en utilisant une lignée cellulaire humaine exprimant de manière inductible l’enzyme de restriction PstI liée à une séquence d’adressage mitochondrial. Nos résultats montrent, dans notre système, une première phase de dégradation de l’ADNmt lésé avec une cinétique rapide, n’impliquant pas l’autophagie ou l’apoptose, suivie de la ré-amplification d’ADNmt intact dans un deuxième temps. Contrairement à d’autres études nous n’avons pas pu détecter d’évènements de réparation des CDB mitochondriales générées. Nous avons ensuite cherché à identifier les protéines impliquées dans la dégradation de l’ADNmt lésé que nous observons, mais aucune nucléase testée ne semble responsable de ce processus. Des approches plus globales sont mises au point pour identifier de nouveaux acteurs, notamment un crible RNAi à grande échelle. Parallèlement nous nous intéressons aussi à une famille de phosphohydrolases, les Nudix, et à leur rôle protecteur en assainissant le réservoir de nucléotides libres. / Mitochondria are organelles that possess their own genome, the mitochondrial DNA (mtDNA). Repair of oxidative damages, defective replication, or various exogenous sources, such as chemotherapeutic agents or ionizing radiations, can generate double-strand breaks (DSBs) in mtDNA. MtDNA encodes for essential proteins involved in ATP production and maintenance of integrity of this genome is thus of crucial importance. Mutations in mtDNA are indeed found in numerous pathologies such as mitochondrial myopathies, neurodegenerative disorders or cancers. However, the mechanisms involved in mtDNA maintenance after DSBs remain unknown.To elucidate this question, we have generated mtDNA DSBs using a human inducible cell system expressing the restriction enzyme PstI targeted to mitochondria. Using this system, we could not find any support for DSBs repair of mtDNA. Instead we observed a loss of the damaged mtDNA molecules and a severe decrease in mtDNA content, followed by reamplification of intact mtDNA molecules. We have demonstrated that none of the known mitochondrial nucleases are involved in mtDNA degradation and that DNA loss is not due to autophagy, mitophagy or apoptosis but to a selective mechanism. Our study suggests that a still uncharacterized pathway for the targeted degradation of damaged mtDNA in a mitophagy/autophagy-independent manner is present in mitochondria, and might provide the main mechanism used by the cells to deal with DSBs. Global approaches are ongoing to identify proteins involved in degradation of damaged mtDNA following DSBs, mainly an RNAi screen targeting 80 nucleases. In parallel we are interested in a family of phosphohydrolases named Nudix and their putative protective role in sanitizing the nucleotides pool in mitochondria.

Depuis plus d'un siècle que les rayons X ont été découverts, les effets biologiques des radiations ionisantes ne sont pas encore entièrement expliqués. Pourtant, une description précise et la modélisation mathématique des événements physico-chimiques, moléculaires et cellulaires contribueraient significativement à l'effet des risques liés à une irradiation. Le groupe de Radiobiologie de l'UMR1052 Inserm (Lyon) a accumulé un nombre considérable de données sur la radiosensibilité individuelle et la réparation des dommages radioinduits de l'ADN qui nous permettent aujourd'hui de valider des modèles nouveaux qui sont souvent en contradiction avec les paradigmes actuels. En particulier, alors que les cassures double-brin de l'ADN semblent être les dommages clés de la létalité cellulaire, aucun protocole ni biomarqueur n'est considéré comme prédictif de la radiosensibilité. Le but de la thèse a donc été de déterminer les paramètres précis qui peuvent prédire la réponse aux radiations. Un grand nombre de protéines se relocalisent sous forme de foci nucléaire autour des sites de CDB. Dans une première étape, nous avons pu proposer une formule générale qui lie induction, reconnaissance et réparation des CDB, valable pour toutes les protéines relocalisantes après irradiation. Cette formule a été appelée « Formule de Bodgi ». La validité de cette formule a pu être vérifiée sur différents biomarqueurs et sur différents types de cellules de patients montrant des radiosensibilités différentes. Dans une deuxième étape, nous avons pu modéliser le processus de transit cytonucléaire de la protéine ATM. Nous avons pu alors apporter une interprétation nouvelle et cohérente des paramètres α et β du modèle linéaire-quadratique qui décrit la relation entre la dose de radiation et la survie cellulaire. Notre théorie s'est avérée également utile pour expliquer certaines autres énigmes de la radiobiologie, notamment le phénomène d'hypersensibilité aux faibles doses / More than a century after the discovery of X-rays, the biological effects of ionizing radiation are still not entirely explained. Nevertheless, a relevant description and a mathematical model of the physico-chemical, molecular and cellular events would significantly contribute to the evaluation of the related risks. The Radiobiology Group of the UMR1052 Inserm Unit (Lyon) has collected a considerable number of data concerning individual radiosensitivity and DNA damage repair, which allows us today to validate actual modeling approaches that are often contradicting actual paradigms. Particularly, while the DNA double-strand breaks (DSB) appear to be the key-damages of cell lethality, there is still no experimental protocol or biomarker that is considered to be predictive for radiosensitivity. The purpose of this thesis was to determine the precise parameters that can predict the response to radiation. An important number of proteins relocalize as nuclear foci in the DSB sites. As a first step, we proposed a general formula that links the DSB induction, recognition and repair, valid for all the relocalized proteins after irradiation. We called this formula the ‘’Bodgi’s formula’’. The validity of this model was verified with different biomarkers, but also on different cell types from patients showing different radiosensitivity. In a second step, we proposed a model for the whole process of the nucleo-shuttling of the ATM protein that occurs after irradiation. We provided a novel and coherent interpretation of the α and β parameters of the linear-quadratic model that describes the relation between radiation dose and cell survival. Our theory was also shown to be useful in explaining some other enigmas of radiobiology, including the hypersensitivity to lowdose phenomena

De la bactérie à l'homme, dispersées ou en tandem, les répétitions peuvent représenter jusqu'à 90 % de la séquence génomique. Malgré leur impact sur la plasticité et l'évolution des génomes eucaryotes, leurs mécanismes de formation sont encore très spéculatifs. L'insertion continue de nouvelles répétitions devrait conduire à une augmentation constante de la taille des génomes. Or, il ne semble pas que ce soit le cas. Y a t-il régulation de la taille des génomes? Le processus de régulation est-il le même dans l'euchromatine et l'hétérochromatine? Afin d'étudier la dynamique des répétitions, j'ai développé un ensemble de programmes informatiques pour la détection des duplications segmentaires (DS) et des répétitions en tandem (RT). A partir des caractéristiques des DS détectées chez Drosophila melanogaster, j'ai proposé un modèle de formation des DS, basé sur un modèle de recombinaison homologue non-allélique. J'ai également identifié les traces de l'implication des éléments transposables (ET) dans ce processus. Afin de caractériser la relation existante entre les répétitions et la structure de la chromatine, j'ai ensuite réalisé une analyse comparative de la dynamique des répétitions euchromatiques et hétérochromatiques. Pour ce travail, nous avons choisi comme modèle d'étude Arabidopsis thaliana. La construction d'arbres phylogénétiques des séquences répétées m'a permis de dater les répétitions. Nous suggérons ainsi une propagation par « vague » des ET. J'ai ensuite estimé les forces d'élimination des copies d'ET. Nos résultats suggèrent que dans l'euchromatine, la pression de sélection due aux gènes induit l'élimination des répétitions. Dans l'hétérochromatine, la faible densité en gènes permet de maintenir une forte densité en ET. Pourtant, les estimations du taux de perte en ADN, prédisent un turnover aussi rapide dans l'euchromatine que dans l'hétérochromatine. Afin de contre-balancer l'insertion des ET dans l'hétérochromatine, nous pouvons invoquer la recombinaison homologue non-allélique.

Résumé: Les cellules germinales mâles remodèlent leur chromatine pour compacter leur noyau afin de protéger leur matériel génétique et assurer un transit optimal vers le gamète femelle. Il a été démontré que tous les spermatides de plusieurs mammifères, incluant l’homme et la souris, présentaient ce mécanisme de remodelage de la chromatine. Celui-ci est caractérisé par une augmentation transitoire de cassures d’ADN dont une quantité importante sont bicaténaires. Ce remodelage chromatinien a été étudié et semble être conservé chez plusieurs espèces, allant de l’algue à l’humain. Dans le contexte de la recherche fondamentale sur le phénomène de la spermiogenèse, il devient parfois très difficile d’investiguer certains aspects importants en vertu de l’impossibilité de réaliser des manipulations génétiques simples. Il est donc impératif de développer un nouveau modèle d’étude plus permissif afin de palier à ces difficultés encourues. Comme le processus de maturation des spores chez la levure à fission présente de grandes similitudes avec la spermiogenèse des mammifères, l’utilisation d’un modèle d’étude basé sur la sporulation de la levure à fission Schizosaccharomyces pombe a été proposée comme modèle comparatif de la spermatogenèse murine. À la suite de la synchronisation de la méiose de la souche S. pombe pat1-114, des analyses d’électrophorèse en champ pulsé (PFGE) et de qTUNEL ont permis de déterminer la présence de cassures bicaténaires transitoires de l’ADN lors de la maturation post-méiotique des ascospores nouvellement formés (t>7h). Des analyses par immunobuvardages dirigés contre le variant d’histones H2AS129p suggère la présence d’un remodelage chromatinien postméiotique dix heures suivant l’induction de la méiose, corroborant le modèle murin. Enfin, des analyses protéomiques couplées à l’analyse par spectrométrie de masse ont permis de proposer l’endonucléase Pnu1 comme candidat potentiellement responsable des cassures bicaténaires transitoires dans l’ADN des ascospores en maturation. En somme, bien que le processus de maturation des spores soit encore bien méconnu, quelques parallèles peuvent être tracés entre la maturation des ascospores de la levure à fission et la spermiogenèse des eucaryotes supérieurs. En identifiant un modèle simple du remodelage chromatinien au niveau de la spermiogenèse animale, on s’assurerait ainsi d’un outil beaucoup plus malléable et versatile pour l’étude fondamentale des événements survenant lors de la spermiogenèse humaine. / Abstract : The male germ cells undergo a major chromatin remodeling process in order to protect their genetic material and ensure optimal transit to the female gamete. It has been demonstrated that all spermatids from several mammals, including humans and mice, require this structural transition in order to reach their full maturity and fertilizing potential. This mechanism is characterized by a transient surge in DNA breaks, including a significant number of double-stranded breaks. This feature has been studied and seems conserved in many species, ranging from algae to humans. In the context of basic research on the phenomenon of spermiogenesis, it is sometimes very difficult to investigate important aspects due to the impossibility of carrying out simple genetic manipulations. A more flexible model to overcome the incurred difficulties is therefore needed. Since the process of ascospore maturation of the fission yeast presents great similarities with mammal spermiogenesis, the use of a model based on the sporulation of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe has been proposed as a comparative model to the murine spermatogenesis. Following synchronization of meiosis in the S. pombe diploid strain pat1-114, pulsed field gel electrophoresis and qTUNEL assay were used to determine the presence of transient double-stranded breaks in DNA during the post-meiotic maturation of newly formed ascospores (t> 7h). Analyses by immunoblotting directed against the histone variant H2AS129p suggests the presence of a post-meiotic chromatin remodeling to t=10h, that may share similarities with higher eu karyotes. Finally, proteomic analyzes coupled with mass spectrometry allowed us to propose the Pnu1 endonuclease as a potential candidate responsible for the transient DNA double-stranded breaks during ascospore morphogenesis. In sum mary, although the spore maturation process is still under investigation, some parallels can be drawn between the maturation of ascospores of fission yeast s and higher eukaryotic spermio genesis. Thus, identifying a simple eukaryotic model for chromatin remodeling in animal spermiogenesis would ensure a flexible genetic tool to decipher the molecular events occurring during human spermiogenesis.

La voie de réparation NHEJ (Non-Homologous End-Joining) est une voie majeure de réparation des cassures double-brin chez l’homme. Les protéines de cette voie interagissent et forment des complexes dynamiques dont les mécanismes moléculaires sont encore largement méconnus. Nous avons dans un premier temps mis au point des protocoles de production à l’échelle de plusieurs milligrammes des protéines cœur de la voie NHEJ en cellules d’insecte à l’aide du système MultiBac. Nous avons ainsi purifié les complexes Ku70/Ku80 et Ligase4/XRCC4 et les protéines Cernunnos et Artemis à homogénéité. Des essais de cristallisation, des études par SAXS et des analyses par microscopie électronique ont été réalisés sur différents complexes formés par ces protéines cœur du NHEJ. Nous avons également caractérisé par chromatographie d’exclusion de taille et calorimétrie, les interactions effectuées entre les protéines de la voie NHEJ. L’ensemble de ces travaux a permis d’établir des bases biochimiques solides en vue des études structurales et fonctionnelles de la voie NHEJ chez l’homme. / Human DNA repair pathway NHEJ (Non-Homologous End-Joining) is a major pathway of double-strand breaks repair. The proteins involved in this pathway interact and form dynamic complexes whose molecular mechanisms are largely unknown. Firstly, we established protocols to be able to purify milligrams of those NHEJ pathway core proteins using MultiBac insect cells system. We then purified Ku70/Ku80 and Ligase4/XRCC4 complexes, Artemis and Cernunnos to homogeneity. Crystallogenesis assays, SAXS experiments and Transmission Electronic Microscopy experiments have been performed on several complexes formed by these core NHEJ proteins. We also characterized the interactions between these proteins by Size Exclusion Chromatography and Isothermal Calorimetry. These experiments have led to biochemical results sufficient to establish a solid basis to initiate the structural and functional study of the Human NHEJ Pathway.

La réponse au stress génotoxique met en jeu de nombreux facteurs cellulaires impliqués dans un réseau complexe de mécanismes visant à assurer le maintien de l'intégrité génétique de l'organisme. Ces mécanismes incluent la détection et la réparation des lésions de l'ADN, la régulation de la transcription et de la réplication et le déclenchement éventuel de la mort cellulaire. Parmi les protéines nucléaires participant à cette réponse, les protéines kin17 sont des protéines à doigt de zinc conservées au cours de l'évolution et activées par les ultraviolets (UV) et les radiations ionisantes (RI). Nous avons montré que la protéine kin17 humaine (HSAkin17) est présente dans la cellule sous une forme soluble et sous une forme ancrée aux structures nucléaires. Une fraction de la protéine HSAkin17 est directement associée à la chromatine. La protéine HSAkin17 est recrutée sur les structures nucléaires 24 heures après traitement par différents agents induisant des cassures double-brin de l'ADN (DSB) et/ou un blocage des fourches de réplication. Par ailleurs, la réduction du niveau total de protéine HSAkin17 sensibilise les cellules RKO aux RI. Nous présentons également des résultats impliquant la protéine HSAkin17 dans la réplication de l'ADN. Cette hypothèse a été confirmée par la démonstration biochimique de son appartenance au complexe de réplication. La protéine HSAkin17 pourrait donc assurer le lien entre réplication et réparation de l'ADN, un défaut de la voie HSAkin17 entraînant une augmentation de la radiosensibilité. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les interactions entre deux mécanismes de réparation de l'ADN : la réparation par excision de nucléotides (NER) et la recombinaison non homologue (NHEJ). Le NER prend en charge une grande variété de lésions provoquant une distortion de la double hélice d'ADN dont les dimères de pyrimidines induits par les UV. Le NHEJ assure la réparation des DSB par jonction directe des extrémités d'ADN. Nous avons utilisé un modèle syngénique de défaut de la réparation basé sur l'interférence ARN développé au laboratoire. En effet, les vecteurs dérivés du virus d'Epstein-Barr (pEBV) permettent l'expression à long terme de siRNA et l'extinction spécifique du gène cible. La réduction de l'expression de gènes impliqués dans le NER (XPA et XPC) ou le NHEJ (DNA-PKcs et XRCC4) entraîne les phénotypes attendus. Nous avons montré que la réduction du niveau de protéine XPC sensibilise les cellules HeLa à l'étoposide, un inhibiteur de la topoisomérase II qui induit des DBS, et affecte leur activité NHEJ in vitro. Ces résultats suggèrent que la protéine XPC pourrait être requise pour la réparation de certains types de cassures ou participer à un système global de régulation de la réponse cellulaire aux lésions de l'ADN. Notre modèle ouvre donc des perspectives intéressantes pour l'étude des relations entre les différentes voies de réparation de l'ADN dans des cellules humaines.

Les télomères sont des structures nucléoprotéiques particulières conférant une stabilité aux extrémités de chromosomes. La plupart des mécanismes télomériques sont conservée chez les eucaryotes supérieurs notamment chez l'homme. Parmi les fonctions exercées, les télomères développent des stratégies visant à limiter la recombinaison impropre aux télomères afin de préserver l'intégrité chromosomique. Au cours de ma thèse, j'ai étudié les mécanismes de maintenance et de protection des télomères chez l'homme, et plus particulièrement le rôle de la recombinaison homologue et recombinaison illégitime. Je me suis plus particulièrement intéressé au rôle de P53 dans le maintien des télomères, à travers sa fonction dans la recombinaison. Bien que son rôle soit établi dans la maintenance des télomères des cellules ALT, sa fonction est en revanche moins bien décrite dans les cellules présentant une activité télomérase. Dans cette perspective, nous avons établi des clones télomèrase (+) exprimant de manière stable le transgène P53R175H, décrit comme stimulant la RH. Cependant, la surexpression de P53R175H ne modifie pas le profil télomérique des ces cellules, se révélant ainsi incapable de stimuler la recombinaison télomérique. L'absence de phénotype pourrait être en fait la conséquence d'une interférence de la télomérase dans la mise en place d'un processus de recombinaison télomérique. Le deuxième volet de notre étude nous amené à préciser le rôle la recombinaison dans le maintien des télomères. Pour cela, nous avons construit des lignées isogéniques invalidées pour les deux voies majeures de la recombinaison grâce à une nouvelle famille de vecteurs ARNi basée sur des vecteurs EBV (brevet CEA N° 0501483) développé par Biard D. Ce système permet d'obtenir une réduction importante, spécifique et à long terme (plus de 300 jours en culture) de l'expression d'un gène cible. Plusieurs partenaires du NHEJ (DNA-PKcs, XRCC4, LigIV, Ku70), ou de la RH (RAD54, RAD51, RAD52) ou du complexe MRN ont été inhibés dans la lignée HeLa (adénocarcinome cervical). Dès les premiers jours d'invalidation du gène cible, des altérations de la stabilité des télomères sont constatées. Ces altérations se maintiennent au cours de la sélection (de 100 à 300 jours selon les clones). Ainsi, il semble que l'invalidation du NHEJ conduise à une instabilité télomérique associée à un raccourcissement de la taille des télomères dans le cas de XRCC4 et LigaseIVKD. Malgré une instabilité télomérique prononcée, les cellules RHKD se distinguent pourtant des clones NHEJKD par des altérations télomériques particulières. En effet, la dérégulation du RH mène à des signaux hétérogènes au sein du même bras chromosomique. En revanche, les anomalies dites de structure (perte associée à des cassures) sont plus abondantes dans les cellules déficientes pour le NHEJ. Ces résultats suggèrent que le NHEJ jouerait un rôle de protection alors que le RH serait plutôt impliqué dans l'élongation et la réplication des télomères. Cette étude s'est poursuit avec l'examen de clones MRE11KD, RAD50KD, NBS1KD permettant de clarifier dans un premier temps le rôle de du complexe dans les différentes voies de recombinaison puis sur la maintenance des télomères. A l'image des autres protéines de la recombinaison, RAD50 préserverait l'intégrité télomérique. L'invalidation des protéines NBS1 et MRE11 initie une élongation des télomères, probable manifestation de l‘activation de la recombinaison télomérique, absente des cellules RAD50KD. Ainsi, la présence de cercles télomériques extrachromosomiques dans le clone NBS1KD vient étayer cettehypothèse. Le complexe MRE11/RAD50/NBS1 constituerait alors un répresseur de la RH aux télomères.

La radiothérapie anticancéreuse repose sur trois grands principes: 1) restriction anatomique de l'irradiation ; 2) fractionnement temporel du traitement; 3) traitement de tissus plus sensibles aux rayonnements que les tissus sains environnants. Sous ces principes se cache un idéal: celui de déposer plus d'énergie de rayons X (RX) dans les tumeurs, en préservant les tissus sains adjacents. Objectif difficile à atteindre puisqu'une des causes d'échec de ce traitement est la poursuite de l'évolution tumorale. Le rayonnement synchrotron pourrait-il être plus efficace? Les variations des coefficients d'interactions rayonnement-matière, en fonction de l'énergie des RX et du numéro atomique du matériau, montrent que certaines énergies et certains matériaux sont préférables pour obtenir un maximum d'interactions et d'énergie déposée. Le rayonnement synchrotron permet de sélectionner précisément ces énergies, grâce à sa très grande intensité. Ses caractéristiques spectrales (énergie des RX entre 10 et 100 keV) permettent de déclencher l'effet photoélectrique, avec un maximum de probabilité, sur des éléments lourds introduits au voisinage de cellules tumorales. Il a été montré que: 1) la tomodensitométrie par rayonnement synchrotron est une technique d'imagerie quantitative, potentiellement puissante pour la radiothérapie car elle assure in vivo la mesure de la concentration intratumorale d'agent de contraste (I ou Gd); 2) en présence d'agent de contraste iodé l'effet létal des RX sur la survie cellulaire est augmenté et le gain de radiosensibilisation dépend de l'énergie des RX; 3) à l'échelle cellulaire, la létalité de l'irradiation peut être encore optimisée en transportant des atomes lourds (I, Pt) au cœur de l'ADN, cible biologique de l'irradiation. Ce renforcement de l'efficacité létale des RX de basses énergies, grâce à une interaction physique ciblée sur un agent pharmacologique, est un concept original en radiothérapie anticancéreuse.