L'ADN est condensé dans le noyau sous forme de chromatine. La structure chromatinienne de l'ADN est un obstacle pour la transcription car elle limite l'accessibilité de l'ADN. Des complexes spécialisés sont capables de remodeler cette structure. Chez Saccharomyces cerevisiae, les complexes RSC (Remodels the Structure of Chromatin) et SWI/SNF sont apparentés comme en témoignent les homologies existant entre plusieurs de leurs sous-unités. Toutefois, seul le complexe RSC, plus abondant que SWI/SNF, est essentiel à la viabilité cellulaire. Ceci suggère qu'il pourrait avoir de multiples rôles dont un dans la transcription. <br />La transcription est réalisée chez les eucaryotes par trois ARN polymérases (pol) différentes chacune spécifique d'une classe de gènes. Nous avons montré que le complexe RSC interagit avec les ARN polymérases I et III. Notre attention s'est portée sur l'interaction entre la sous-unité Rsc4 et la protéine ABC27, commune aux trois ARN polymérases. La protéine Rsc4 interagit en double-hybride avec ABC27 par son domaine C-terminal. Nous avons étudié un mutant de la sous-unité Rsc4 ayant perdu la capacité d'interagir avec ABC27. Les profils d'expression génomiques, établis par puces à ADN, ont permis de caractériser des effets de cette mutation sur la transcription par l'ARN polymérase II. Curieusement, la majorité des gènes induits sont répartis par le chromosome XII. Cet effet n'est pas polaire. La présence de l'ADN ribosomique sur ce chromosome nous a conduits à proposer qu'il pourrait être une cause de ce comportement particulier. Nous avons mis en évidence des modifications dans la voie de maturation de l'ARN 35S, transcrit par la pol I, mais nous n'avons pas pu caractériser des défauts de transcription par les ARN polymérases I et III.

NEDD8, molécule de la famille de l’ubiquitine est essentielle au développement, à la croissance et à la viabilité d’un organisme, de plus c’est une cible prometteuse en thérapeutique. Nous avons découvert que l’inhibiteur spécifique de la NEDDylation, MLN4924 altère la morphologie sans fragmentation et augmente la surface du nucléole de cellules humaines et de noyaux de la lignée germinale de Caenorhabditis elegans. Une approche de protéomique quantitative (SILAC) combiné à l’analyse de la production des ARNr et des ribosomes montrent que MLN4924 change la composition protéique du nucléole sans affecter l’activité transcriptionnelle de l’ARN pol I. Notre analyse montre que MLN4924 active p53 par la voie RPL11/RPL5-Mdm2 caractéristique d’un stress du nucléole. Cette étude identifie le nucléole comme une cible intéressante dans l’utilisation d’inhibiteurs de la NEDDylation et apporte un nouveau mécanisme d’activation de p53 par inhibition de la voie NEDD8.Dans une seconde étude nous avons adapté la méthode de FLIM-FRET (« Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy – Förster Resonance Energy Transfer ») à l’étude de la compaction de la chromatine à l’échelle du nanomètre dans un organisme vivant. Le nématode Caenorhabditis elegans s’est révélé être un modèle de choix. Au sein des chromosomes méiotiques, nous avons identifié différentes régions de compaction, de niveau variable par mesure du FRET entre histones fusionnées à des protéines fluorescentes. Par une approche originale d’ARN interférence et injection d’un « extra-chromosome » nous avons défini l’architecture à une nano-échelle de différents états de l’hétérochromatine et montré que cette organisation est contrôlée par les protéines HP1 « Heterochromatin Protein 1 » et SETDB1, une protéine « H3-Lysine 9 methyl transferase ». Nous avons également montré que la compaction de l’hétérochromatine est dépendante des condensines I et II et plus particulièrement la condensine I contrôle l’état faiblement compacté de la chromatine.Nos travaux ont confirmé que C. elegans est un modèle d’intérêt majeur pour l’étude des compartiments nucléaires et parfaitement adapté pour des études pré-clinique. / The ubiquitin-like molecule NEDD8 is conserved and essential for viability, growth and development; its activation pathway is a promising target for therapeutic intervention. We found that the small molecule inhibitor of NEDDylation, MLN4924, alters the morphology and increases the surface size of the nucleolus in human cells and Caenorhabditis elegans germ cells in the absence of nucleolar fragmentation. Through SILAC proteomic analysis and rRNA production, processing and ribosome profiling, we show that MLN4924 changes the composition of the nucleolar proteome but does not inhibit RNA Pol I transcription. Further analysis demonstrates that MLN4924 activates the p53 tumour suppressor through the RPL11/RPL5-Mdm2 pathway, with characteristics of nucleolar stress. The study identifies the nucleolus as a target of the NEDDylation pathway and provides a mechanism for p53 activation upon NEDD8 inhibition.Then we adapted a quantitative FRET (Förster resonance energy transfer)-based fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) approach to assay the nano-scale chromatin compaction in a living organism, the nematode Caenorhabditis elegans. By measuring FRET between histone-tagged fluorescent proteins, we visualized distinct chromosomal regions and quantified the different levels of nanoscale compaction in meiotic cells. Using RNAi and repetitive extrachromosomal array approaches, we defined the heterochromatin state and showed that its architecture presents a nanoscale-compacted organization controlled by Heterochromatin Protein-1 (HP1) and SETDB1 H3-lysine-9 methyl-transferase homologs in vivo. Next, we functionally explored condensin complexes. We found that condensin I and condensin II are essential for heterochromatin compaction and that condensin I additionally controls lowly compacted regions. Our data show that, in living animals, nanoscale chromatin compaction is controlled not only by histone modifiers and readers but also by condensin complexes.We confirm that C. elegans is an interesting model to study nuclear signalling and perfectly adapt to be a platform for pre-clinical studies.

Le sujet de cette thèse est l’étude de la régulation de l’expression du facteur de transcription LEAFY COTYLEDON 2 (LEC2), qui est un, régulateur clé du développement de la graine d’Arabidospsis thaliana. La graine offre un mode de propagation et de protection des espèces végétales à graines, indispensable à leur survie. La graine est l’élément de base de l’agriculture, en tant que semence, et de l’alimentation humaine, aussi bien sous forme brute que sous forme transformée (farines, huiles…). Elle a aussi de très nombreuses applications industrielles dans l’industrie et les biocarburants. Le développement de la graine, comme beaucoup d’étapes nécessaires à la vie de la plante, est controlé par des phénomènes complexes, incluant des facteurs de transcription. LEC2, ainsi que 2 autres facteurs de transcription de type B3 (FUSCA 3 et ABI3) et un facteur à domaine de fixation CAAT (LEAFY COTYLEDON 1), sont les quatre facteurs clés du développement de la graine d’Arabidospsis thaliana, appelés AFLs (ABI3, FUS3, LEC1, 2). Les gènes AFLs s’expriment spécifiquement dans l’embryon et sont fortement réprimés dans les parties végétatives, par de multiples mécanismes impliquant, entre autre, des facteurs de transcription et des acteurs plus généraux modifiant la structure de la chromatine. Bien que la régulation de LEC2 ait déjà été largement étudiée, les mécanismes précis de répression ainsi que l’activation de ce gène, sont encore méconnus.Le travail présenté est basé sur un travail de délétion de promoteurs, qui a révélé l’existence de 3 boîtes de régulation, essentielles à une activité correcte du promoteur de LEC2. Deux boîtes, dont une correspondrait à une boîte de fixation de facteurs MADS et une à une boîte GAGA dans la séquence transcrite non traduite de LEC2, sont essentielles à l’activité du promoteur. La 3ème séquence, d’une longueur de 50pb, est nécessaire à la répression de LEC2 dans les parties végétatives par des mécanismes épigénétiques. La corrélation de la présence de cette boîte avec un enrichissement dans la marque H3K27me3 au locus nous a permis de rapprocher cette séquence de répression d’une PRE (Polycomb response element) de type végétal. / The aim of this work is to study the regulation of the transcription factor LEAFY COTYLEDON 2, which is a key regulator of seed developpement in Arabidopsis thaliana.Seeds have essential functions in the environnement for plant propagation and as embryo protective tools. Furthermore, numerous products issued from the agriculture or involved in human food (e.g. cereals, oil, flour) are based on seeds. Several industrial apllications depend, as well, on this organ such as oil production for human consumption, additives for some industrial processes, or biofuel synthesis.Seed developemental phases are dependant of a complex regulatory network composed in major part with transcription factors, that were found to be central components of plant evolution and domestication.LEC2, FUS3, ABI3 (three B3 type factors) and LEC1 (a CATT binding factor) are named AFL (ABI3, FUS3, LEC1, 2) genes, and are key regulators of Arabidopsis seed development. AFL genes are specifically expressed in embryo and repressed in vegetatives tissues. This repression has been principally studied in germinating seedlings and was shown to be caused by a set of transcription factors and chromatin structure modifiers.Beside the fact that LEC2 regulation has been extensively studied within the past few years, it was known that other mechanisms of repression and activation were still to be discovered. The work carried out on LEC2 presented here, mainly based on an extensive promoter deletion analysis, has allowed the discovery of three essential nucleotidic sequences necessary for a proper LEC2 promoter activity. The two first regulatory sequences are similar to a MADS box binding element and a GAGA binding site, and were found to be essentials for LEC2 promoter activity. The third sequence (named RLE for Repression of LEC2 Element) is 50bp long and lead to the repression of LEC2 promoter activity after onset of seed germination. A very strong correlation between RLE and the enrichment of H3K27me3 mark deposition at specific loci, suggests this sequence is the first PRE-like (Polycomb response element) element identified in plants.

L’information génétique contenue dans le noyau de la cellule doit être dupliquée fidèlement afin d’être transmise aux cellules filles pendant la division cellulaire. Pour organiser leur division, les cellules suivent un cycle reproductible composé de quatre étapes appelé cycle cellulaire. La préparation et l’exécution du programme de réplication de l’ADN ont lieu pendant des phases spécifiques du cycle grâce à l’intervention de multiples partenaires protéiques et de régulateurs structuraux. En particulier, la réplication de l’ADN s’effectue sur une matrice complexe constituée d’ADN associé à des protéines appelée chromatine. Cette dernière influence et est influencée par la réplication de l’ADN. Le travail présenté ici a pour objectif de faire le lien entre la conformation de la chromatine et la cinétique de réplication de l’ADN. Pour ce faire, nous combinons plusieurs techniques. La cytométrie de flux nous permet de suivre la quantité d’ADN présent dans une population de cellules et, à l’aide d’une méthode développée dans notre laboratoire, d’extraire le programme de réplication moyen d’une population de cellules. La technique de SAXS fournit des informations sur l’organisation locale des protéines et de l’ADN in vivo. Nos données peuvent être interprétées comme un cristal liquide avec un ordre nématique et une faible longueur de corrélation, ce qui suggère que la chromatine de la levure est majoritairement dépourvue d’une organisation en fibre de 30nm in vivo. Par ailleurs, par la méthode de peignage d’ADN, nous reproduisons les résultats précédemment obtenus montrant que la distance entre zones répliquées est d’environ ~60kb qui correspond à la distance entre des origines de réplication identifiées. Cependant, d’après l’étude du comportement dynamique de l’initiation, nous proposons que les initiations sont plus fréquentes que ce qui a été mesuré précédemment et correspondent à la distance entre les protéines MCM disposées sur le génome. / Genetic information carried in the cell nucleus must be faithfully duplicated to be transmitted to daughter cells during cell division. In order to orchestrate their division, cells go through a reproducible 4 stages cycle called «cell cycle». The preparation and execution of the DNA replication program is restricted to specific phases and implies many proteic and structural regulators. In particular, DNA replication occurs on a complex template of DNA associated with proteins. The latter is both influencing and influenced by DNA replication. This work aims at investigating the link between chromatin conformation and the kinetics of DNA replication. In order to do so, we combine several techniques. Using flow cytometry, we follow the evolution of a cell population with regards to their DNA content and, with a method developed in our laboratory, decipher the population averaged temporal program of DNA replication. SAXS data provide information on the local organisation of protein and DNA in vivo. Our data can be interpreted as a liquid crystal with a nematic order and a short correlation length, which suggest that yeast chromatin in vivo is predominantly devoid of 30 nm fibres organisation. On the other hand, we performed DNA combing to study the replication program in single cells. We reproduce previously obtained result showing that distance between replicated tracks is of ~60kb which corresponds to the distance between known origins of replication. However, studying the behaviour of initiation, we propose that the initiation events are more frequent than previously measured and correspond to distances between MCMs proteins loaded on the genome.

The human genome is organised into a DNA-protein complex called chromatin, of which the main repeating unit is the nucleosome. Chromatin is generally repressive to gene expression, rendering RNA Polymerase II regulatable gene expression dependent on chromatin remodelling complexes. These complexes will displace nucleosomes or change the nucleosomal structure by incorporating histone variants or by the post- translational modification of histone. Chromatin remodelling works in concert with transcription activators on regulatory elements of regulatable genes. The histone variant H2A.Z has a major role in creating a permissive structure at gene regulatory elements. Conversely, the di- and tri-methylation of histone H3 lysine 27 (H3K27) has a repressive effect on gene regulation, but can be reversed by the recently identified demethylase, JMJD3. The steroid hormone estrogen (E2) and its intracellular receptor estrogen receptor [alpha] (ER[alpha]) stimulate transcription of target genes by promoting local changes in hormone-responsive promoters embedded in chromatin. ER[alpha]-dependent cancers demonstrate deregulated proliferation, and the treatment of these cancers with anti-estrogens (AE) occasionally leads to resistant cancer subtypes. H2A.Z overexpression has been associated with ER[alpha] target gene expression and breast cancer. In addition, an interesting link exists between ER[alpha] and H3K27me3 related chromatin remodelling complexes. We thus hypothesized that ER[alpha]-mediated transcription in normal and antiestrogen-resistant breast cancer implicates the modification of chromatin signatures on target genes and results in proliferation. We observed that H2A.Z overexpression is related to ER[alpha] levels and leads to increased proliferation in low E2 concentrations and in the presence of the AE tamoxifen. We also show that the perturbation of a repressive epigenetic mark that normally controls the expression of the proto-oncogene BCL2 in response to E2 leads to its constitutive transcriptional activation and deregulation of the apoptosis program in AE-resistant breast cancer cells. Therefore my doctoral studies present the following conclusions: (1) epigenetic modifications are useful prognostic markers for breast cancer severity; (2) the deregulation of these modifications leads to carcinogenesis; and (3) continued deregulation of these pathways can lead to more severe breast cancer and AE resistance.

Dans le noyau cellulaire, l’ADN est compacté autour de petites protéines appelées histones formant ainsi le nucléosome, unité de base de la chromatine. Les nucléosomes contrôlent la liaison des facteurs de transcription à l’ADN et sont ainsi responsables de la régulation des processus cellulaires tels que la transcription. Afin de permettre l’expression des gènes, la chromatine est remodelée, c’est-à-dire que les nucléosomes sont repositionnés de manière à ce que la machinerie générale de la transcription puisse atteindre l’ADN afin de produire l’ARN messager. La moindre petite modification dans la fonction des facteurs de transcription ou des enzymes responsables du remodelage de la chromatine entraine des variations d’expression des gènes, et donc des maladies telles que les cancers. Le cancer du sein est le cancer le plus couramment développé chez les femmes. Cette maladie est principalement causée par l’activité du récepteur des œstrogènes ERα et de ses co-régulateurs ayant, pour la plupart, un rôle direct sur le remodelage de la chromatine. Afin de mieux comprendre le développement et la progression du cancer du sein, nous avons décidé d’étudier le rôle de deux co-régulateurs de ERα, TLE3 et KDM5A, impliqués dans le remodelage de la chromatine et dont la fonction dans le cancer du sein est indéterminée. Nous avons démontré que TLE3 est un partenaire d’interaction du facteur pionnier FoxA1, facteur nécessaire à la liaison de ERα sur l’ADN pour la transcription des gènes cibles de ce récepteur. L’interaction de TLE3 avec FoxA1 inhibe la liaison de ERα à l’ADN en absence d’œstrogènes, via le recrutement de HDAC2 qui déacétyle la chromatine, empêchant alors l’activation fortuite de la transcription en absence de signal. Quant à KDM5A, malgré sa réputation de répresseur de la transcription, dans le cancer du sein, cette déméthylase de H3K4me2/3 est un coactivateur de ERα, dû à son rôle direct sur l’expression du récepteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les protéines des groupes Polycomb et trithorax sont des régulateurs épigénétiques très conservés qui permettent le maintient de l'identité cellulaire en régulant le niveau d'expression des gènes. Ils agissent sur leurs gènes cibles à travers des éléments régulateurs en cis, appelés éléments de réponse aux Polycombs (PRE). Dans des tests transgéniques, il a été montré que deux copies du même PRE sont fréquemment regroupés dans la même région nucléaire. Dans le cas particulier du PRE Fab-7, ce regroupement corrèle avec sa fonction répressive. Durant ma thèse, j'ai tenté de cloner un outil bicolore qui permet la visualisation en 4D de deux PRE Fab-7 stablement intégrés dans le génome de Drosophila melanogaster. De plus, j'ai amélioré le protocole de DNA-FISH du labo. Ceci m'a permis d'identifier vestigial et apterous comme étant des loci qui forment des associations nucléaires, de façon dépendante de la transcription, dans Drosophila melanogaster. / Polycomb- and trithorax-Group proteins are highly conserved epigenetic regulators which maintain cell identities by maintaining states of gene expression. They act on their target genes through /cis/ regulatory elements, named Polycomb Response Elements (PREs). In transgene assays it has been shown that two copies of the same PRE are frequently found clustered in nuclear space and for one particular PRE named Fab-7 clustering is correlated with its repressive function. In the course of this thesis I tried to clone a two colour real-time tool which allows distinguishing in 4D two /Fab-7/s stably integrated into the genome of Drosophila melanogaster. Additionally, I improved the DNA-FISH protocol of the lab and identified vestigial and apterous as potential gene loci forming nuclear associations dependent on transcription in Drosophila melanogaster.

Chez Schizosaccharomyces pombe, le cycle méiotique est le mode de division cellulaire spécialisé qui permet la formation d’ascospores résistantes à différents stress lorsque les conditions environnementales ne sont pas propices à la multiplication cellulaire. Lors de mes travaux de thèse, mes objectifs consistaient à caractériser le rôle et le mécanisme d’action de la protéine Cuf2 lors du cycle méiotique chez S. pombe. Mes résultats ont montré que le gène cuf2[indice supérieur +] était exprimé exclusivement lors des divisions méiotiques et que la protéine se co-localisait de manière constitutive avec le matériel génétique. De plus, mes résultats ont dévoilé que Cuf2 participait à l’activation et à la répression de plusieurs gènes méiotiques selon un mécanisme de nature transcriptionnelle en s’associant spécifiquement avec leur région promotrice. Par la suite, mes résultats ont mis en évidence que Cuf2 interagissait physiquement avec Mei4, un facteur de transcription méiose-spécifique, au noyau des cellules méiotiques. Notamment, mes résultats ont montré que la présence de Mei4 et de son motif de liaison à l’ADN dénommé FLEX étaient nécessaires afin que Cuf2 puisse s’associer au promoteur de son gène cible fzr1[indice supérieur +] afin d’en activer l’expression. L’ensemble de mes résultats indiquent que Cuf2 et Mei4 interagissent aux promoteurs de certains gènes lors des divisions méiotiques afin d’en co-activer l’expression. D’ailleurs, mes résultats ont également montré que la fonction de Cuf2 était importante à la formation d’ascospores et à leur viabilité ; en absence de Cuf2, la majorité des ascospores présentent diverses aberrations et plus de la moitié d’entre elles sont non-viables. Globalement, mes résultats démontrent que Cuf2 est un régulateur critique de l’expression génique lors du cycle méiotique et que cette fonction est essentielle à la sporulation chez S. pombe.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.