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La régulation de la transcription est un processus complexe qui a évolué pendant des millions d’années permettant ainsi aux cellules de s’adapter aux changements environnementaux. Notre laboratoire étudie le rôle de la rapamycine, un agent immunosuppresseur et anticancéreux, qui mime la carence nutritionelle. Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réponse a la rapamycine, nous recherchons des mutants de la levure Saccaromyces cerevisiae qui ont un phenotype altérée envers cette drogue. Nous avons identifié le gène RRD1, qui encode une peptidyl prolyl isomérase et dont la mutation rend les levures très résistantes à la rapamycine et il semble que se soit associé à une réponse transcriptionelle alterée. Mon projet de recherche de doctorat est d’identifier le rôle de Rrd1 dans la réponse à la rapamycine. Tout d’abord nous avons trouvé que Rrd1 interagit avec l’ARN polymérase II (RNAPII), plus spécifiquement avec son domaine C-terminal. En réponse à la rapamycine, Rrd1 induit un changement dans la conformation du domaine C-terminal in vivo permettant la régulation de l’association de RNAPII avec certains gènes. Des analyses in vitro ont également montré que cette action est directe et probablement liée à l’activité isomérase de Rrd1 suggérant un rôle pour Rrd1 dans la régulation de la transcription. Nous avons utilisé la technologie de ChIP sur micropuce pour localiser Rrd1 sur la majorité des gènes transcrits par RNAPII et montre que Rrd1 agit en tant que facteur d’élongation de RNAPII. Pour finir, des résultats suggèrent que Rrd1 n’est pas seulement impliqué dans la réponse à la rapamycine mais aussi à differents stress environnementaux, nous permettant ainsi d’établir que Rrd1 est un facteur d’élongation de la transcription requis pour la régulation de la transcription via RNAPII en réponse au stress. / Transcriptional regulation is a complex process that has evolved over millions of years of evolution. Cells have to sense environmental conditions and adapt to them by altering their transcription. Herein, we study the role of rapamycin, an immunosuppressant and anticancer molecule that mimics cellular starvation. To understand how the action of rapamycin is mediated, we analyzed gene deletion mutants in the yeast Saccharomyces cerevisiae that have an altered response to this drug. Deletion of RRD1, a gene encoding a peptidyl prolyl isomerase, causes strong resistance to rapamycin and this was associated with a role of Rrd1 in the transcriptional response towards rapamycin. The main focus of my PhD was therefore to unravel the role of Rrd1 in response to rapamycin. First, we discovered that Rrd1 interacts with RNA polymerase II (RNAPII), more specifically with its C-terminal domain and we showed that in response to rapamycin, Rrd1 alters the structure of this C-terminal domain. This phenomenon was confirmed to be directly mediated by Rrd1 in vitro, presumably through its peptidyl prolyl isomerase activity. Further, we demonstrated that Rrd1 is capable of altering the occupancy of RNAPII on genes in vivo and in vitro. With the use of ChIP on chip technology, we show that Rrd1 is actually a transcription elongation factor that is associated with RNAPII on actively transcribed genes. In addition, we demonstrate that Rrd1 is indeed required to regulate the expression of a large subset of genes in response to rapamycin. This data let us propose a novel mechanism by which Rrd1 regulates RNAPII during transcription elongation. Finally, we provide evidence that Rrd1 is not only required for an efficient response towards rapamycin but to a larger variety of environmental stress conditions, thus establishing Rrd1 as a transcriptional elongation factor required to fine tune the transcriptional stress response of RNAPII.

Le génôme des cellules eucaryotes est condensé au sein d'une structure complexe hiérarchiquement organisée : la chromatine. La chromatine est composée d'ADN, de protéines histone et non-histone. Cette thèse a pour but d'étudier le rôle de la chromatine dans la réponse cellulaire aux dommages de l'ADN (DDR) par les méthodologies de génomique fonctionnelle et de protéomique. Nous avons tout d'abord analysé les modifications post-traductionnelles (PTM) des histones dans le cadre des pontages inter-brins (ou "Interstrand Crosslinks", ICL), type particulier de lésions de l'ADN, en choisissant le modèle de l'Anémie de Fanconi (FA). Ceci a été réalisé grâce aux techniques de protéomique quantitative SILAC (Stable Isotope Labeling of Amino acid during Cell culture) et de spectrométrie de masse (MS). Nous avons ainsi réussi à identifier et à quantifier de nombreuses PTMs dans les histones H3 et H4, et à démontrer que certaines de ces PTM sont dépendantes d'une voie fonctionnelle de la signalisation de FA. Nous avons également approfondi l'étude des DDR dans les cellules de FA par une approche de génomique fonctionnelle. Pour cela, nous avons analysé le profil l'expression d'enzymes associées à l'acétylation et à la méthylation des histones. Nos résultats suggèrent l'existence de corrélations entre le profil d'expression de ces enzymes et les PTMs des histones. Des études complémentaires sont nécessaires en vue de confirmer ces corrélations. Nous avons également comparé le transcriptome de deux lignées cellulaires de FA (mutée en FANCC et corrigée en FANCC) après induction de dommages à l'ADN. Afin de différencier les changements spécifiquement associés à la voie de signalisation de FA en réponse aux ICL de l'ADN des réponses plus générales aux dommages de l'ADN, nous avons inclus des cellules traitées par rayonnement ionisant. En réalisant une analyse d'interactions factorielles, nous avons pu identifier une réponse transcriptionnelle aux dommages de l'ADN nécessitant une voie fonctionnelle de la signalisation de FA. Nous avons également tenté de pallier aux limitations rencontrées dans l'analyse des PTMs des histones. En effet, les PTMs des histones que nous avons identifiées représentent l'ensemble des modifications, c'est-à-dire les PTMs concernant les histones se trouvant immédiatement à proximité du site du dommage et en relation directe avec celui-ci, et les PTMs se trouvant à distance du dommage et pouvant ne pas être en relation directe avec celui-ci. Les approches courantes pour identifier les PTMs se trouvant à des loci particuliers sont basées sur l'immunoprécipitation classique de la chromatine où l'utilisation de formaldéhyde altère les protéines, ce qui en rend impossible l'analyse par MS. Nous avons proposé une nouvelle méthodologie basée sur la biotinylation expérimentale d'histones situées à proximité d'une protéine particulière, suivie de la purification des nucléosomes contenant ces histones biotinylées. Contrairement àl'immunoprécipiatation classique de la chromatine, cette méthode n'induit pas d'altération des protéines, permettant ainsi de purifier les histones à partir d'un locus spécifique et d'analyser à grande échelle leurs PTMs par MS. Cette approche permet aussi de suivre dans le temps les PTMs d'une fraction des histones juste après leur biotinylation. Enfin, elle présente l'avantage de pouvoir étudier le profil des PTMs de différents états fonctionnels de la chromatine grâce à l'utilisation de variants d'histones. / In eukaryotic cells, the genome is packed into chromatin, a hierarchically organized complex composed of DNA and histone and nonhistone proteins. In this thesis we have addressed the role of chromatin in cellular response to DNA damage (DDR) using various methodologies encompassing functional genomics and proteomics. First, we analyzed histone post-translational modifications (PTM) in the context of specific kind of DNA lesions (ICL-Interstrand Crosslinks) in Fanconi anemia using quantitative proteomics methodology, SILAC (Stable Isotope Labeling of Amino acids during Cell Culture). Using mass spectrometry (MS), we have successfully identified and quantified a number of histone PTM marks in histone H3 and H4, mainly acetylations and methylations,which have shown dependence upon functional FA-pathway. As a next step, we applied a functional genomics approach to study DDR in FA cells. In this analysis we first monitored the expression profile of histone modifying enzymes related to histone acetylations and methylations. Our results suggest some correlations between histone PTMs and gene expression of histone modifying enzymes, although conclusive evidence warrants further investigations. Next, we analyzed the total transcriptome after DNA damage induction in FA mutant and wild type cells. We also included in this analysis IR irradiation, in an attempt to dissociate more generic DDR from more specific changes that are associated with the role of FA pathway to the DNA ICLs. By performing a factorial interaction analysis, we were able to isolate the part of transcriptional response to DNA damage that was requiring functional FA pathway, as well as the genes that were sensitized to DNA damage by the inactivation of FA pathway. In the final part of the thesis, we attempted to solve one of the limitations that we encountered in the histone PTM analysis. The current approaches used to study histone PTMs from particular loci involves classical chromatin immunoprecipitation, which due to involvement of formaldehyde crosslinking render the protein part mostly unavailable for MS-based proteomics. We have proposed a novel methodology, which is based upon the biotin tagging of histones proximal to a protein of interest and subsequent purification of nucleosomes carrying the tagged histone. This methodology does not involve any crosslinking, enabling us to purify histones from specific loci, and subject them to large scale MS-based histone PTM analysis. A time dimension can also be added to our approach, as we can follow the modification status of particular fraction of histones once they get biotinylated. Another advantage is the use of alternate variant histones, which allows us to study the PTM profile of different functional states of chromatin. This methodology certainly has an edge on current techniques to study histone PTMs pattern associated with a particular protein of interest or with particular chromatin state.

The meiotic cell cycle is modified from the mitotic cell cycle by having a premeiotic S phase which leads to high levels of recombination, two rounds of nuclear division with no intervening DNA synthesis, and a reductional pattern of chromosome segregation. Rem1 is a cyclin that is expressed only during meiosis in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Cells in which rem1 has been deleted show a decreased intragenic meiotic recombination and a delay at the onset of meiosis I. When ectopically expressed in mitotically growing cells, Rem1 induces a G1 arrest followed by severe mitotic catastrophes. Here we show that rem1 expression is regulated at the level of both transcription and splicing, encoding for two proteins with different function depending on the intron retention. We have determined that the regulation of rem1 splicing is not dependent on any transcribed region of the gene. Furthermore, when the rem1 promoter is fused to other intron-containing genes, the chimeras show a meiotic-specific regulation of splicing, exactly as endogenous rem1. This regulation is dependent on two transcription factors of the forkhead family, Mei4 and Fkh2. While Mei4 induces both transcription and splicing of rem1, Fkh2 is responsible for the intron retention of the transcript during vegetative growth and pre-meiotic S phase. / El ciclo meiótico se diferencia del ciclo mitótico por tener una fase S pre-meiótica caracterizada por altos niveles de recombinación, dos rondas de división nuclear sin síntesis de DNA entre las dos y una segregación cromosómica reduccional. Rem1 es una ciclina que sólo se expresa en meiosis en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe. Celulas con rem1 deleccionado presentan una tasa de recombinación intragénica disminuida y un retraso en el inicio de meiosis I. Cuando se expresa ectópicamente en células creciendo vegetativamente, Rem1 induce un arresto en G1 seguido de catástrofe mitótica. Este trabajo describe que la expresión de rem1 está regulada a nivel de la trascripción y el procesamiento, codificando para dos proteínas con funciones diferentes dependiendo de la retención intrónica.. Hemos determinado que la regulación del splicing de rem1 no depende de ninguna región transcrita del gen. Además, cuando el promotor se fusiona a otros genes que contienen intrones, las quimeras presentan una regulación específica de meiosis como el rem1 endógeno. Esta regulación depende de dos factores de transcripción de la familia Forkhead, Mei4 y Fkh2. Mientras Mei4 induce la transcripción y el splicing de rem1, Fkh2 es responsable de la retención intrónica del tránscrito durante crecimiento vegetativo y fase S pre-meiótica.

En mamíferos, así como en plantas, mutaciones en AND helicasas/ATPasas del la família SNF2, no solo afectan a la estructura de la cromatina, sino que también afectan al patrón global de la metilación del ADN. Sugiriendo una relación funcional entre la estructura de la cromatina y la epigenética. El complejo NuRD, el cual posee una ATPasa de la familía SNF2, está relacionado con la represión de la transcripción y en el remodelamiento de la cromatina. Nuestro laboratorio demostró que la proteína leucémica PML-RARα reprime la transcripción de sus genes diana por el reclutamiento de DNMTs y el complejo PRC2. En esta tesis, demostramos una relación directa del complejo NuRD en la represión génica y en los cambios epigenéticos en la leucemia promielocítica aguda (APL). Mostramos que PML-RARα se une y recluta NuRD a sus genes diana, incluyendo el gen supresor de tumores RAR2, facilitando que el complejo de Polycomb se reclute y metile la lisina 27 de la histona H3. Tratamiento con Acido Retinóico (RA), el qual se utiliza en pacientes, reduce la ocupación de NuRD en células leucémicas. Eliminando NuRD no solo provoca que las histonas no se deacetilen y que la cromatina no se compacte, sino que también provoca que tanto la metilación del ADN y de las histonas no se produzca, así como la represión génica del gen RAR2, favoreciendo la diferenciación celular. Nuestros resultados caracterizan un nuevo papel del complejo NuRD en el establecimiento de los patrones epigenéticos en APL, demostrando una relación esencial entre la estructura de la cromatina y epigenética durante el desarrollo de la leucemia, pudiéndose aplicar a la terapia de esta enfermedad. / In mammals, as in plants, mutations in SNF2-like DNA helicases/ATPases were shown to affect not only chromatin structure but also global methylation patterns, suggesting a potential functional link between chromatin structure and epigentic marks. The SNF2-like containing NuRD complex is involved in gene transcriptional repression and chromatin remodeling. We have previously shown that the leukemogenic protein PMLRARα represses target genes through recruitment of DNMTs and Polycomb complex. In this thesis, we demonstrate a direct role of the NuRD complex in aberrant gene repression and transmission of epigenetic repressive marks in acute promyelocytic leucemia (APL). We show that PML-RARα binds and recruits NuRD to target genes, including to the tumor-suppressor gene RAR2. In turn, the NuRD complex facilitates Polycomb binding and histone methylation at lysine 27. Retinoic acid treatment reduced the promoter occupancy of the NuRD complex. Knock-down of the NuRD complex in leukemic cells not only prevented histone deacetylation and chromatin compaction, but also impaired DNA and histone methylation as well as stable silencing, thus favoring cellular differentiation. These results unveil an important role for NuRD in the establishment of altered epigenetic marks in APL, demonstrating an essential link between chromatin structure and epigenetics in leukemogenesis that could be exploited for therapeutic intervention.

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La régulation de la transcription est un processus complexe qui a évolué pendant des millions d’années permettant ainsi aux cellules de s’adapter aux changements environnementaux. Notre laboratoire étudie le rôle de la rapamycine, un agent immunosuppresseur et anticancéreux, qui mime la carence nutritionelle. Afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la réponse a la rapamycine, nous recherchons des mutants de la levure Saccaromyces cerevisiae qui ont un phenotype altérée envers cette drogue. Nous avons identifié le gène RRD1, qui encode une peptidyl prolyl isomérase et dont la mutation rend les levures très résistantes à la rapamycine et il semble que se soit associé à une réponse transcriptionelle alterée. Mon projet de recherche de doctorat est d’identifier le rôle de Rrd1 dans la réponse à la rapamycine. Tout d’abord nous avons trouvé que Rrd1 interagit avec l’ARN polymérase II (RNAPII), plus spécifiquement avec son domaine C-terminal. En réponse à la rapamycine, Rrd1 induit un changement dans la conformation du domaine C-terminal in vivo permettant la régulation de l’association de RNAPII avec certains gènes. Des analyses in vitro ont également montré que cette action est directe et probablement liée à l’activité isomérase de Rrd1 suggérant un rôle pour Rrd1 dans la régulation de la transcription. Nous avons utilisé la technologie de ChIP sur micropuce pour localiser Rrd1 sur la majorité des gènes transcrits par RNAPII et montre que Rrd1 agit en tant que facteur d’élongation de RNAPII. Pour finir, des résultats suggèrent que Rrd1 n’est pas seulement impliqué dans la réponse à la rapamycine mais aussi à differents stress environnementaux, nous permettant ainsi d’établir que Rrd1 est un facteur d’élongation de la transcription requis pour la régulation de la transcription via RNAPII en réponse au stress. / Transcriptional regulation is a complex process that has evolved over millions of years of evolution. Cells have to sense environmental conditions and adapt to them by altering their transcription. Herein, we study the role of rapamycin, an immunosuppressant and anticancer molecule that mimics cellular starvation. To understand how the action of rapamycin is mediated, we analyzed gene deletion mutants in the yeast Saccharomyces cerevisiae that have an altered response to this drug. Deletion of RRD1, a gene encoding a peptidyl prolyl isomerase, causes strong resistance to rapamycin and this was associated with a role of Rrd1 in the transcriptional response towards rapamycin. The main focus of my PhD was therefore to unravel the role of Rrd1 in response to rapamycin. First, we discovered that Rrd1 interacts with RNA polymerase II (RNAPII), more specifically with its C-terminal domain and we showed that in response to rapamycin, Rrd1 alters the structure of this C-terminal domain. This phenomenon was confirmed to be directly mediated by Rrd1 in vitro, presumably through its peptidyl prolyl isomerase activity. Further, we demonstrated that Rrd1 is capable of altering the occupancy of RNAPII on genes in vivo and in vitro. With the use of ChIP on chip technology, we show that Rrd1 is actually a transcription elongation factor that is associated with RNAPII on actively transcribed genes. In addition, we demonstrate that Rrd1 is indeed required to regulate the expression of a large subset of genes in response to rapamycin. This data let us propose a novel mechanism by which Rrd1 regulates RNAPII during transcription elongation. Finally, we provide evidence that Rrd1 is not only required for an efficient response towards rapamycin but to a larger variety of environmental stress conditions, thus establishing Rrd1 as a transcriptional elongation factor required to fine tune the transcriptional stress response of RNAPII.

Background: Histone modifications play an important role in gene regulation. Their genomic locations are of great interest. Usually, the location is measured by ChIP-seq and analyzed with a peak-caller. Replicated ChIP-seq experiments become more and more available. However, their analysis is based on single-experiment peak-calling or on tools like PePr which allows peak-calling of replicates but whose underlying model might not be suitable for the conditions under which the experiments are performed. Results: We propose a new peak-caller called \"Sierra Platinum\" that allows peak-calling of replicated ChIP-seq experiments. Moreover, it provides a variety of quality measures together with integrated visualizations supporting the assessment of the replicates and the resulting peaks, as well as steering the peak-calling process. Conclusion: We show that Sierra Platinum outperforms currently available methods using a newly generated benchmark data set and using real data from the NIH Roadmap Epigenomics Project. It is robust against noisy replicates.

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