L'Efficacité Biologique Relative (EBR) des faisceaux de protons énergétiques (70-250 MeV) utilisés dans les différents centres de protonthérapie est classiquement estimée à 1,10 par rapport aux photons du Cobalt-60. Bien qu'en accord avec la mesure de la régénération des cryptes intestinales chez la souris après exposition à une dose unique de 10 à 15 Gy, cette valeur moyenne a été contestée par la microdosimétrie. Ces incertitudes nous ont conduits à analyser l'effet des protons mis en œuvre dans les deux faisceaux médicaux (76 et 201 MeV) du Centre de Protonthérapie de l'Institut Curie à Orsay (ICPO) sur deux lignées cellulaires humaines tumorales, et en partie sur une lignée fibroblastique. Les résultats font apparaître une différence de la valeur de l'EBR pour la survie au rayonnement dans la partie distale du SOBP (Spread-Out Bragg Peak) en fonction de l'énergie incidente, ainsi qu'une absence de corrélation entre la réponse en survie et l'incidence des cassures double-brin de l'ADN dans le faisceau de 76 MeV. Nous montrons cependant, grâce à l'utilisation de lignées défectives dans les voies de signalisation et de réparation des cassures double-brin de l'ADN par le D-NHEJ, que ces voies déterminent la valeur de l'EBR dans la partie distale du SOBP de 76 MeV. La réponse aux dommages de l'ADN dans cette région suggère que les dommages létaux appartiennent à la classe des "lésions complexes" (LMDS) de l'ADN. D'autre part, il apparaît que la fluence des particules constitue un paramètre majeur qui doit être pris en compte dans la partie distale des faisceaux.

L'élimination programmée d'ADN spécifique de la lignée germinale pour former un nouveau noyau somatique a été décrite chez les eucaryotes. Ces réarrangements sont initiés par l'introduction de cassures double brin (CDB) de l'ADN et la préservation de l'intégrité du génome requiert une réparation efficace. Chez Paramecium tetraurelia, le génome est largement réarrangé pendant le développement du nouveau noyau somatique, après l'introduction de milliers de cassures double brin programmées par la transposase domestiquée PiggyMac (Pgm)Ces réarrangements consistent en l'excision précise de dizaines de milliers de séquences uniques et non codantes (IES) qui interrompent 47% des gènes dans la lignée germinale ; et l'élimination hétérogène de séquences répétées qui mène à des délétions internes de taille variable ou à la fragmentation des chromosomes avec addition de télomères aux extrémités.L'implication de la voie du Non Homologous End Joining (NHEJ) dans l'excision précise des IES a été prouvée. Dans des cellules déplétées de Ligase IV ou XRCC4, les cassures aux bornes des IES sont introduites normalement mais il n'y a pas de jonctions d'excision formées et les extrémités cassées s'accumulent sans être dégradées. Mais la voie de réparation impliquée dans les réarrangements imprécis est encore inconnue. L'hypothèse d'une réparation par la voie NHEJ alternative (alt-NHEJ), indépendante de Ku et impliquant la résection des extrémités et l'utilisation de microhomologie, a été émise. C'est pourquoi pendant ma thèse je me suis intéressé à ma thèse au rôle des protéines Ku.Deux gènes KU70 et trois gènes KU80 ont été identifiés dans le génome de la paramécie. KU70a et KU80c sont spécifiquement induits pendant les réarrangements programmés du génome et les protéines localisent dans les noyaux somatiques en développement. Des expériences d'extinction de ces gènes par ARN interférence ont prouvé que ces gènes étaient indispensables. Au niveau moléculaire, l'ADN non réarrangé est amplifié dans les cellules déplétées de Ku. De plus, les cassures double brin programmées ne sont pas introduites aux bornes des IES.Mes résultats suggèrent que Ku fait partie d'un complexe de pré-excision, avec la transposase domestiquée Pgm, et est nécessaire pour l'introduction des cassures double brin programmées pendant les réarrangements programmés du génome.

La topoisomérase I (Top1) élimine les surenroulements de l'ADN générés lors de la transcription en produisant transitoirement des complexes de clivage Top1-ADN (Top1cc). Ces Top1cc transitoires peuvent être stabilisés par les camptothécines, dont sont dérivés des agents anticancéreux, et par les fréquentes altérations de l'ADN. Bien que les Top1cc stabilisés soient des lésions qui bloquent efficacement la transcription, la compréhension des processus moléculaires qui résultent du blocage des complexes transcriptionnels par les Top1cc est encore limitée. Des travaux précédents ont montré que les Top1cc stabilisés produisent des cassures double-brin (DSBs) de l'ADN dépendantes de la transcription qui activent ATM. Dans ce projet, nous avons utilisé des cellules quiescentes traitées avec la camptothécine pour induire des Top1cc bloquant la transcription et nous avons étudié les mécanismes de la production et de la signalisation des DSBs. Nous montrons que les DSBs sont produites préférentiellement dans les régions sub-télomériques lors de la réparation des Top1cc bloquant la transcription par les cassures simple-brin de l'ADN générées après la protéolyse de la Top1 et avant l'action de Tdp1. L'analyse de la signalisation de ces DSBs révèle une nouvelle fonction de DNA-PK dans la promotion de l'ubiquitinylation conduisant (i) à l'activité complète d'ATM aux sites des DSBs en favorisant l'ubiquitination d'H2AX et H2A, et (ii) à l'augmentation de la réparation des Top1cc en favorisant la protéolyse de la Top1. Enfin, nous montrons que les DSBs co-transcriptionnelles induisent la mort des cellules quiescentes. L'ensemble de ces résultats apportent un nouvel aperçu des réponses cellulaires aux camptothécines, et suggèrent que les DSBs qui résultent des Top1cc bloquant la transcription puissent contribuer à la pathogénèse du syndrome neurodégénératif SCAN1, qui est causé par une déficience en Tdp1. / Topoisomerase I (Top1) removes DNA supercoiling generated during transcription by producing Top1-DNA cleavage complexes (Top1cc). These transient Top1cc can be stabilized by camptothecins, from which anticancer drugs are derived, and by common DNA alterations. Although stabilized Top1cc are potent transcription-blocking lesions, our understanding regarding the molecular processes resulting from the stalling of transcription complexes by Top1cc is currently limited. Previous work showed that stabilized Top1cc produce transcription-dependent DNA double-strand breaks (DSBs) that activate ATM signalling. In this project, we used camptothecin-treated quiescent cells to induce transcription-blocking Top1cc and study the mechanisms of DSB production and signalling. We show that DSBs form preferentially at subtelomeric regions during the repair of transcription-blocking Top1cc from DNA single-strand breaks generated after Top1 proteolysis and before Tdp1 action. Analysis of DSB signalling reveals a novel function of DNA-PK in promoting protein ubiquitination leading (i) to full ATM activity at DSB sites by promoting H2AX and H2A ubiquitination, and (ii) to enhancement of Top1cc repair by promoting Top1 proteolysis. Finally, we show that co-transcriptional DSBs kill quiescent cells. Together, these findings provide new insights into the cellular responses to camptothecins and further suggest that DSBs arising from transcription-blocking Top1cc may contribute to the pathogenesis of the neurodegenerative SCAN1 syndrome, which is caused by Tdp1 deficiency.

Les cassures double brin de l'ADN altèrent l'intégrité physique du chromosome et constituent l'un des types les plus sévères de dommages à l'ADN. Pour préserver l'intégrité du génome contre les effets potentiellement néfastes des cassures double brin de l'ADN, les cellules humaines ont développé plusieurs mécanismes de réparation, dont la réparation par recombinaison de l'ADN et la jonction d'extrémités non-homologues (NHEJ), catalysés par des enzymes spécifiques. Pendant ma thèse, nous avons caractérisé la dynamique de certaines des interactions protéines/ADN impliquées dans ces mécanismes au niveau de la molécule unique. Dans ce but, nous avons combiné des pinces optiques et de la micro-fluidique avec de la microscopie de fluorescence à champ large afin de manipuler une ou deux molécules d'ADN individuelles et d'observer directement les protéines de la réparation marquées par fluorescence agissant sur l'ADN. Nous avons concentré notre analyse sur trois protéines/complexes essentiels impliqués dans la réparation de l'ADN: (i) la protéine humaine d’appariement de brin RAD52, (ii) les protéines humaines XRCC4, XLF et le complexe XRCC4/Ligase IV de la NHEJ et (iii) le complexe humain MRE11/RAD50/NBS1. / DNA double-strand breaks disrupt the physical continuity of the chromosome and are one of the most severe types of DNA damage. To preserve genome integrity against the potentially deleterious effects of DNA double-strand breaks, human cells have evolved several repair mechanisms including DNA recombinational repair and Non-Homologous End Joining (NHEJ), each catalyzed by specific enzymes. In this thesis we aimed at unraveling the dynamics of protein/DNA transactions involved in DNA double-strand break repair mechanisms at single molecule level. To do this, we combined optical tweezers and microfluidics with wide-field fluorescence microscopy, which allowed us to manipulate individual DNA molecules while directly visualize fluorescently-labeled DNA repair proteins acting on them. We focused the study on three crucial proteins/complexes involved in DNA repair: (i) the human DNA annealing protein RAD52, (ii) the non-homologous end joining human proteins XRCC4 and XLF and the complex XRCC4/Ligase IV, and (iii) the human MRE11/RAD50/NBS1 complex.

Plus d'un siècle après la découverte des rayons X, les effets biologiques des radiations ionisantes restent encore méconnus. En particulier, une meilleure connaissance des phénomènes liés à la radiosensibilité individuelle permettrait une meilleure prédiction du risque radioinduit tant en ce qui concerne les réactions tissulaires que la formation de cancers.Dans le cadre des recherches menées par le Groupe de Radiobiologie de l'UMR 1052 Inserm (Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon), l'accumulation de données radiobiologiques issues de patients radiosensibles a permis d'initier une théorie basée sur le transit cytonucléaire de la protéine ATM. Acteur majeur de la réponse aux radiations ionisantes ATM est muté dans l'Ataxie Telangiectasie, syndrome génétique rare associé à la plus forte radiosensibilité. Plus précisément, les chercheurs du Groupe ont proposé le modèle suivant : l'irradiation produit une monomérisation des formes cytoplasmiques de la protéine ATM. Les monomères d'ATM diffusent dans le noyau pour assurer la reconnaissance et la réparation des cassures double-brin de l'ADN (CDB), dommages-clés de la réponse aux radiations. Tout retard dans ce transit conduirait à une certaine radiosensibilité.Le but de cette thèse est d'identifier d'une part, les protéines (appelées X) qui freinerait ce transit en s'associant à ATM dans le cytoplasme ; d'autre part, les agents chimiques (métaux, pesticides) qui influeraient sur ce processus.Les protéines X identifiées dans le cadre de cette thèse sont notamment la huntingtine, la neurofibromine, la tubérine qui, lorsqu'elles sont mutées, causent respectivement la maladie de Huntington, la Neurofibromatose de type 1 et la Tubéreuse de Bourneville. Les métaux étudiés sont les chlorures d'aluminium, de cuivre, de zinc, de fer, de nickel, de palladium, de cadmium ainsi que le nitrate de plomb, le selenium et le chrome. Les pesticides sont l'atrazine, le glyphosate, la permetrine, le thiabendazole et le pentachlorophénol.Cette thèse introduit la notion de pro-, dys- ou anti-épiskévie, c'est-à-dire la capacité de certains agents, protéines ou drogues à accélérer, ralentir ou interdire le transit cytonucléaire de la protéine ATM / More than a century after the discovery of X rays, the effects of ionising radiation are still misunderstood. In particular, a better knowledge of individual radiosensitivity could lead to a better prediction of radio induced risk of cancer and acute reactions after radiotherapy. As part of the research conducted by the Radiobiology Group of UMR Inserm 1052 (Cancer Research Center of Lyon), the accumulation of radiobiological data from radiosensitive patients allowed to initiate a theory based on the ATM protein transit from cytoplasm to nucleus. ATM a the major actor in the response to ionising radiation and is mutated in Ataxia Telangiectasia, a rare genetic syndrome associated with the highest radiosensitivity. Specifically, the researchers of the Group proposed the following model: irradiation produces monomerization of cytoplasmic forms of ATM protein. ATM monomers diffuse into the nucleus to ensure the recognition and repair of DNA double-strand breaks (DSBs), the key damage response to radiation. Any delay in this transit would lead to radiosensitivity.The aim of this thesis is to identify in one hand, the proteins (called X proteins), which would slow the transit by interracting with ATM in the cytoplasm; on the other hand, chemical agents (metals, pesticides) that would affect this process.X proteins identified in this thesis include huntingtin, neurofibromin, tuberin which, when mutated, cause, respectively, Huntington's disease, Neurofibromatosis type 1 and Tuberous Sclerosis. Studied metals are aluminum, copper, zinc, iron, nickel, palladium and cadmium chlorides, lead nitrate, selenium and chromium. Pesticides are atrazine, glyphosate, permethrin, thiabendazole and pentachlorophenol.This thesis introduces the concept of pro-, dys or anti- episkévia, that is to say the ability of some agents, proteins or drugs to speed up, slow down or inhibit the the ATM nucleoshuttling

A la suite des catastrophes nucléaires d’importantes quantités de radionucléides ont été rejetés dans l’environnement. Le Strontium 90 (90Sr) fait partie de ces rejets. Du fait de sa demi-vie de 29 ans, c’est un polluant persistant qui conduit à la contamination des populations vivant autour des territoires contaminés via l’ingestion chronique de faibles quantités de ce radionucléide. Les études épidémiologiques ont mis en évidence des effets au niveau du système immunitaire, du système hématopoïétique et de la physiologie osseuse chez l’homme. Le 90Sr qui s’incorpore principalement dans l’os pourrait contribuer à l’apparition de ces effets. Le but de ce travail a été de comprendre quels sont les mécanismes d’action du 90Sr qui permettent d’expliquer de tels effets. Un premier modèle in vitro utilisant une lignée de cellules stromales murines (MS5) contaminées par le milieu de culture à 1 ou 10 kBq.ml-1 a été utilisé. Il a permis de montrer que le 90Sr était capable d’induire des cassures double-brin de l’ADN dès 30 minutes d’exposition avec une induction de la senescence et une altération de la fonction de support aux progéniteurs hématopoïétiques. Dans le deuxième modèle in vivo d’effet dose, des souris Balb/c ont été contaminées durant 24 semaines à des concentrations de 90Sr de 4, 20 et 100 kBq.l-1 dans l’eau de boisson. Cette expérience a permis d’observer une augmentation des marqueurs de la résorption osseuse en fonction de la contamination au 90Sr ainsi et une augmentation de l’expression génique des enzymes impliquées dans la défense antioxydante. Une augmentation de p21, marqueur de la senescence et une diminution d’IL-6 ont également été observées. Les implications de ces résultats sur la physiologie osseuse, le système immunitaire et hématopoïétiques sont discutées. Globalement, l’ensemble de ce travail complète les données déjà existantes sur le 90Sr et permet de mieux comprendre les mécanismes d’action du 90Sr sur les cellules stromales médullaires qui sont au centre de la régulation immuno-hématopoïétique. / Abstract : After nuclear disasters, large amounts of radionuclides were released into the environment. Strontium 90 (90Sr) is part of these wastes. Because of its half-life of 29 years, it is a persistent pollutant which leads to the contamination of surrounding populations through the chronic ingestion of low quantities of this radioelement. Epidemiologic studies have demonstrated some effects on immune system, hematopoietic system and bone physiology in humans. 90Sr accumulates mostly in bones and could contribute to the appearance of such effects. The aim of this work is to understand the action mechanisms which could explain the previous observations. In the first in vitro model, a murine stromal cell line (MS5) contaminated through the culture medium with 1 or 10 kBq.ml-1 of 90Sr was used. Thank to this model, an increased number of DNA double-strand breaks in cells after 30 minutes of exposure, a senescence induction and a modification in the support of hematopoietic progenitors were observed. In the second model, Balb/c mice were contaminated during 24 weeks through drinking water containing 90Sr at 4, 20 and 100 kBq.l-1. Both an increase in genic expression of bone resorption markers and in antioxydative enzymes were observed. An increase in p21 expression, marker of senescence, and a decrease in IL-6 were also seen. The implications of these results on bone physiology, immune and hematopoietic systems are discussed. As a whole, all this work completed the preexistent data about 90Sr and contributes to a better understanding of the action mechanisms of 90Sr on marrow stromal cells which have a pivotal function in the regulation of the immune and hematopoietic system.

Les cassures double-brin de l’ADN (CDB) sont des événements clés dans la réponse aux rayonnements ionisants qui, avec le profil génétique et épigénétique individuel, peuvent conditionner le devenir des tissus sains d’un individu exposé. À la suite des cassures de la molécule d’ADN et de la déstabilisation de la chromatine, une série de modifications post-traductionnelles des histones se produit, notamment la phosphorylation de la serine 139 de l'histone H2A.X (gamma-H2A.X), conduisant à la formation de foyers radio-induits. La réparation des CDB, et donc la disparition de ces foyers, a lieu dans les heures suivant l’exposition. Toutefois, une certaine proportion de ces foyers gamma-H2A.X persiste 24 heures après l’irradiation. La nature et le rôle de ces foyers persistants sont encore peu clairs. L’objectif de ce travail est d'explorer les caractéristiques de ces foyers persistants et leurs conséquences sur le devenir des cellules. Pour étudier la dynamique des foyers radio-induits, nous avons exposé des HUVEC synchronisées en phase G0/G1 à des doses de 1 et 5 Gy de rayons X. Les foyers radio-induits ont été étudiés à partir de 10 minutes et jusqu'à 7 jours après l'exposition par l’analyse de gamma-H2A.X et de l’association temporelle de la protéine 53BP1 et des CN-PML (corps nucléaires PML). L’impact des foyers persistants sur la prolifération cellulaire a également été exploré. Nous avons analysé en microscopie à fluorescence une moyenne de 4 000 cellules pour chaque condition à l'aide d'une analyse d’image permettant la détection automatique des noyaux et des foyers. L'analyse d'un grand nombre d‘évènements nous a permis de discriminer des sous-populations de cellules ou de foyers sur la base de différentes caractéristiques, telles que leur aire ou la phase du cycle cellulaire, et de mesurer leur représentativité dans l'ensemble de la population de cellules exposées. Ainsi, nous avons déterminé que les foyers gamma-H2A.X persistant ont une aire supérieure à 0,72 ± 0,11 µm² et qu’ils sont toujours colocalisés avec 53BP1. Plus de 70% des cellules exposées à 5 Gy ont au moins un foyer persistant 24 heures après l'exposition. De plus, ces foyers persistants sont observables au moins jusqu'à 7 jours après l’irradiation. Une association spatiale significative entre les CN-PML et les foyers gamma-H2A.X a été observée à partir de 10 minutes après l'exposition et 24 heures après l’exposition, environ 90% des foyers persistants sont associés à un CN-PML. De plus, la présence de foyers persistants ne bloque pas définitivement la prolifération des cellules. Cependant, la fréquence des foyers persistants est plus faible dans les cellules filles que dans les cellules irradiées, probablement en raison d'une certaine proportion de distribution asymétrique des foyers persistants entre les cellules filles. Nous avons également mesuré une corrélation positive entre la présence d'un foyer persistant et la probabilité de mauvaise ségrégation de l'ADN par l'observation de phénomènes de catastrophes mitotiques. Il semble donc que la structure formée après le passage d'un foyer persistant à travers les phases S et G2 soit susceptible d’empêcher la séparation correcte des chromatides sœurs du chromosome affecté. Nous suggérons donc que la nature des foyers persistants n’est pas la même avant et après la première division cellulaire due à une résolution anormale de l'anaphase. Ces assemblages chromosomiques atypiques résultants d’anaphases anormales pourraient être létaux pour la cellule ou entraîner un déséquilibre du dosage génique et une instabilité génomique accrue pouvant conduire à une mosaïque de phénotypes cellulaires. / The DNA double-stranded breaks (DSB) are key events in the cell response to ionizing radiation that may affect, with the individual genetic and epigenetic profile, the fate of healthy tissues of people exposed. Following initial breaks and chromatin destabilization, a set of post-translational modifications of histones occurs, including the phosphorylation of serine 139 of histone H2AX (gamma-H2A.X), which leads to the formation of ionizing radiation-induced foci (IRIF). DSB repair results in the disappearance of most IRIF within hours after exposure. However, a proportion of IRIF remains 24 hours upon irradiation. The nature and role of these persistent IRIF are still unclear. The goal of this work is to explore the characteristics of these persistent IRIF and their consequences on the cell behavior. To investigate the dynamic of IRIF in our model, we exposed G0/G1-phase synchronized HUVECs to 1 or 5 Gy of X-rays. IRIF were studied from 10 minutes up to 7 days after exposure by monitoring gamma-H2A.X foci, their temporal association with 53BP1 protein and PML NBs (Promyelocytic leukemia nuclear bodies), and their impact on cell proliferation. We analyzed a mean of 4 000 cells for each condition using an automated detection of nuclei and foci. The analysis of a large number of cells and foci allowed us to screen subpopulations of cells or foci through different characteristics, such as size, shape or cell cycle phase among others, and to weight their representativeness in the whole population of exposed cells. We identified that persistent gamma-H2A.X foci after irradiation had a size superior to 0.72 ± 0.11 µm² and always collocated with 53BP1. More than 70% of cells exposed to 5 Gy had at least one persistent IRIF 24 hours after exposure and we observed these persistent IRIF up to 7 days post irradiation. A significant spatial association between PML NBs and IRIF was observed from 10 minutes after exposure; at 24h post irradiation, around 90% of persistent IRIF were associated with PML NBs. Moreover we demonstrated that persistent IRIF did not block cell proliferation definitively. The frequency of IRIF was lower in daughter cells, probably due to a certain amount of asymmetric distribution of IRIF between them. We report a positive association between the presence of an IRIF and the likelihood of DNA missegregation by observation of mitotic catastrophes. Hence, the structure formed after the passage of a persistent IRIF across the S and G2 phases may impede the correct segregation of sister chromatids of the chromosome affected. Consequently, the nature of IRIF in the nucleus of daughter cells might differ before and after the first cell division due to an abnormal resolution of anaphase. The resulting atypical chromosomal assembly may be lethal or result in a gene dosage imbalance and possible enhanced genomic instability, and could lead to a patchwork of cell phenotypes.

Dans les cellules eucaryotes, les cassures double-brin sont réparée selon deux voies principales : la recombinaison homologue et la jonction des extrémités non homologues, toutes deux bien connues dans la littérature. Cependant quelques zones d'ombres persistent quant à deux aspects singuliers de leur mise en œuvre :- Si ces deux mécanismes peuvent opérer dans les cellules, quels sont les déterminismes qui président au choix d'une voie de réparation plutôt que de l'autre ?- Dans le cas où les cassures double-brin sont induites dans l'ADN par des rayonnements ionisants – comme ceux employés en radiothérapie anticancéreuse – coment s'opère la réparation lorsque les extrémités générées ne sont pas compatibles avec une ligation immédiate ? Connaître les protéines impliquées dans ce cas permettrait d'élaborer des adjuvants à la thérapie anticancéreuse.Afin de contribuer à répondre à ces questionnements, nous avons voulu élaborer un système analytique intégré qui permît 1) le recrutement spécifique de complexes de réparation des cassures double-brin de l'ADN sur des phases chromatographiques constituées au laboration, 2) la résolution de ces complexes sur gel d'acrylamide non-dénaturants et leur visualisation et 3) la caractérisation biochimique fine des complexes séparés. La méthodologie élaborée au cours de cette thèse a concerné chacun des trois points ci-dessous : 1) nous avons conçu et mis en œuvre un système chromatographique nous permettant de distinguer les protéines recrutées spécifiquement sur des oligonucléotides duplexes d'ADN dotés d'extrémités libres de l'ADN (mimant des cassures double-brin) des autres protéines se fixant sur la séquence interne des oligonucléotides ; 2) nous avons adapté à notre problématique une méthodologie d'électrophorèse non-dénaturante permettant la résolution des complexes purifiés tout en garantissant leur intégrité au cours de la migration ; 3) grâce à la visualisation directe des complexes résolus dans le gel, nous avons pu déterminer leur composition en protéines par spectrométrie de masse.L'étude biochimique des complexes purifiés a démontré que les complexes purifiés étaient fonctionnels, c'est à dire capable de liguer deux oligonucléotides entre eux. La fouille des données de spectrométrie de masse, obtenues à partir d'un grand nombre d'expériences indépendantes, nous a permis de montrer qu'ils étaient de la physiologie de l'ADN et particulièrement représentatifs de la diversité des mécanismes de réparation.De manière intéressante, nous avons pu observer que certaines protéines recrutées spécifiquement sur les mimes de cassures double-brin de l'ADN, ne sont pourtant pas connues pour intervenir dans les processus de réponse aux dommages de l'ADN (synthèse de nucléotides, checkpoint, topologie de l'ADN, cytosquelette).Le rôle des protéines évoquées ci-dessus sera prochainement caractérisé in cellulo notamment avec des stratégies de type RNAi. D'autre part, nous utiliserons les développements méthodologiques décrits ci-dessus pour étudier les mécanismes de réparation des cassures double-brin radio-induites, tels qu'ils sont mis en jeu dans les cellules tumorales en constituants de nouvelles phases chromatographiques avec des oligonucléotides irradiés. / In eucaryotic cells, DNA double-strand breaks are repaired through two main pathways : the homologous recombination and the non homologous end joining . Altough these pathways are well characterized, two particular aspects of the repair remain poorly understood :- If two separated pathways may occur in the cells, which mechanism(s) govern the choice of the pathway that will ultimately lead to the repair ?- If the double-strand break is induced by ionizing radiations – as those employed in anti-cancerous radiotherapy – how does the repair occur if the DNA ends at the edge of the break are not compatible with a direct ligation ? A proper knowledge of the proteins involved in this repair would allow the development of additives, useful to increase the efficiency of the radiotherapy.To investigate these questions, we designed a new analytical system allowing : 1) the specific recruitment of DNA double-strand break repair complexes on home-made chromatographic phases, 2) the separation of these complexes in a non-denaturing polyacrylamide gel and their subsequent visualization and 3) their biochemical characterization.The methodology developped in this work has been focused on the following points : 1) we designed and implemented a chromatographic system allowing the distinction between proteins recruited onto duplex DNA oligonucleotide with free DNA ends (mimicking DNA double-strand breaks) and proteins fixed onto the internal sequence of the same oligonucleotides ; 2) we adapted to our problematic a methodology of non-denaturing electrophoresis thus allowing the separation of the purified complexes while guaranteeing their integrity during the migration, 3) we also determined their composition by mass spectrometry after their visualization.The biochemical study has shown that the purified complexes were still functionnal, that is they were able to efficiently ligate two oligonucleotides. The study of the data provided by the mass spectrometry analysis of independant experiences proved that the complexes belonged to the DNA physiology and were especially representative of the diversity of the DNA repair pathways.Interestingly, we observed that some of the protein specifically recruited onto the the double-strand breaks were not known to be involved in the DNA repair (nucleotide synthesis, checkpoint, DNA topology, cytoskeleton).The rôle of these proteins should be characterized in cellulo especially with siRNA. On the other hand we will also use the methodological development described above to study the repair mechanisms of radio-induced DNA double-strand breaks occuring in the irradiated tumorous cells. To achieve this study we will elaborate new chromatographic phases with pre-irradiated oligonucleotides.

L’élimination programmée d’ADN spécifique de la lignée germinale pour former un nouveau noyau somatique a été décrite chez les eucaryotes. Ces réarrangements sont initiés par l’introduction de cassures double brin (CDB) de l’ADN et la préservation de l’intégrité du génome requiert une réparation efficace. Chez Paramecium tetraurelia, le génome est largement réarrangé pendant le développement du nouveau noyau somatique, après l’introduction de milliers de cassures double brin programmées par la transposase domestiquée PiggyMac (Pgm)Ces réarrangements consistent en l’excision précise de dizaines de milliers de séquences uniques et non codantes (IES) qui interrompent 47% des gènes dans la lignée germinale ; et l’élimination hétérogène de séquences répétées qui mène à des délétions internes de taille variable ou à la fragmentation des chromosomes avec addition de télomères aux extrémités.L’implication de la voie du Non Homologous End Joining (NHEJ) dans l’excision précise des IES a été prouvée. Dans des cellules déplétées de Ligase IV ou XRCC4, les cassures aux bornes des IES sont introduites normalement mais il n’y a pas de jonctions d’excision formées et les extrémités cassées s’accumulent sans être dégradées. Mais la voie de réparation impliquée dans les réarrangements imprécis est encore inconnue. L’hypothèse d’une réparation par la voie NHEJ alternative (alt-NHEJ), indépendante de Ku et impliquant la résection des extrémités et l’utilisation de microhomologie, a été émise. C’est pourquoi pendant ma thèse je me suis intéressé à ma thèse au rôle des protéines Ku.Deux gènes KU70 et trois gènes KU80 ont été identifiés dans le génome de la paramécie. KU70a et KU80c sont spécifiquement induits pendant les réarrangements programmés du génome et les protéines localisent dans les noyaux somatiques en développement. Des expériences d’extinction de ces gènes par ARN interférence ont prouvé que ces gènes étaient indispensables. Au niveau moléculaire, l’ADN non réarrangé est amplifié dans les cellules déplétées de Ku. De plus, les cassures double brin programmées ne sont pas introduites aux bornes des IES.Mes résultats suggèrent que Ku fait partie d’un complexe de pré-excision, avec la transposase domestiquée Pgm, et est nécessaire pour l’introduction des cassures double brin programmées pendant les réarrangements programmés du génome. / Programmed elimination of germline specific DNA has been described in several eukaryotic organisms. These rearrangements are initiated through introduction of DNA double strand breaks (DSB). To ensure genome integrity, efficient repair is needed. In Paramecium tetraurelia, the genome is widely rearranged during development of a new somatic nucleus after introduction of tens of thousands of DSBs by the domesticated transposase PiggyMac (Pgm)These rearrangements consist in: the precise excision of thousands of unique and non coding sequences called IESs that interrupt 47% of genes in the germline; and the heterogeneous elimination of repeated sequences. It leads to internal deletions of variable sizes or to chromosome fragmentation with telomere addition at DNA ends.Implication of the Non Homologous End Joining Pathway (NHEJ) in precise IES excision has been proved. In cells depleted for Ligase IV or XRCC4, DSBs at IES boundaries are introduced normally but broken DNA ends accumulate without being repaired nor degraded. The repair pathway implicated in heterogeneous rearrangements is still unknown. An hypothesis would be that heterogeneous rearrangements involve a Ku independent alternative NHEJ (alt-NHEJ) pathway characterized by end resection and use of microhomologies. During my thesis I studied the role of Ku proteins in programmed genome rearrangements.Two KU70 genes and three KU80 genes has been identified in the Paramecium genome. KU70a and KU80c are specifically induced during programmed genome rearrangements. Encoded proteins localize in developing somatic nuclei. Gene extinction by RNA interference experiments proved that these genes are necessary for programmed genome rearrangements. At molecular level, non rearranged DNA is amplified in cells depleted for Ku. And more surprisingly, no programmed DSBs are introduced at IES boundaries in these cells.My results indicate that Ku is a part of a pre excision complex with the domesticated transposase Pgm and necessary for the introduction of programmed DSB during programmed genome rearrangements.

L'Efficacité Biologique Relative (EBR) des faisceaux de protons énergétiques (70-250 MeV) utilisés dans les différents centres de protonthérapie est classiquement estimée à 1,10 par rapport aux photons du Cobalt-60. Bien qu'en accord avec la mesure de la régénération des cryptes intestinales chez la souris après exposition à une dose unique de 10 à 15 Gy, cette valeur moyenne a été contestée par la microdosimétrie. Ces incertitudes nous ont conduits à analyser l'effet des protons mis en œuvre dans les deux faisceaux médicaux (76 et 201 MeV) du Centre de Protonthérapie de l’Institut Curie à Orsay (ICPO) sur deux lignées cellulaires humaines tumorales, et en partie sur une lignée fibroblastique. Les résultats font apparaître une différence de la valeur de l'EBR pour la survie au rayonnement dans la partie distale du SOBP (Spread-Out Bragg Peak) en fonction de l'énergie incidente, ainsi qu'une absence de corrélation entre la réponse en survie et l'incidence des cassures double-brin de l'ADN dans le faisceau de 76 MeV. Nous montrons cependant, grâce à l'utilisation de lignées défectives dans les voies de signalisation et de réparation des cassures double-brin de l'ADN par le D-NHEJ, que ces voies déterminent la valeur de l'EBR dans la partie distale du SOBP de 76 MeV. La réponse aux dommages de l'ADN dans cette région suggère que les dommages létaux appartiennent à la classe des “lésions complexes” (LMDS) de l'ADN. D'autre part, il apparaît que la fluence des particules constitue un paramètre majeur qui doit être pris en compte dans la partie distale des faisceaux. / Treatment planning in proton therapy uses a generic value for the Relative Biological Efficiency (RBE) of 1.1 relative to 60Co gamma-rays throughout the Spread Out Bragg Peak (SOBP). We have studied the variation of the RBE at three positions in the SOBP of the 76 and 201 MeV proton beams used for cancer treatment at the Institut Curie Proton Therapy in Orsay (ICPO) in two human tumor cell lines using clonogenic cell death and the incidence of DNA double-strand breaks (DSB) as measured by pulse-field gel electrophoresis without and with endonuclease treatment to reveal clustered lesions as endpoints.The RBE for induced cell killing by the 76 MeV beam increased with depth in the SOBP. However for the 201 MeV protons it was close to that for 137Cs gamma-rays and did not vary significantly. The incidence of DSBs and clustered lesions was higher for protons than for 137Cs g-rays, but did not depend on the proton energy or the position in the SOBP.In the second part of our work, we have shown using cell clones made deficient for known repair genes by stable or transient shRNA transfection, that the D-NHEJ pathway determine the response to protons. The response of DNA damages created in the distal part of the 76 MeV SOBP suggests that those damages belong to the class of DNA "complex lesions" (LMDS). It also appears that the particle fluence is a major determinant of the outcome of treatment in the distal part of the SOBP.