La division cellulaire est essentielle pour la survie de chaque être vivant. Au cours de ce processus, les chromosomes de la cellule en division sont transmis aux deux cellules filles. La répartition des chromosomes est orchestrée par une structure cellulaire transitoire appelée fuseau mitotique (ou fuseau méiotique dans les cellules reproductrices). Le fuseau est composé de microtubules, de nombreuses protéines et de moteurs moléculaires, qui interagissent de manière complexe et précise aboutissant à l’organisation d’une structure bipolaire dynamique. Comme certains mécanismes moléculaires restent mal compris, nous avons choisi d'aborder la question de l'assemblage du fuseau méiotique dans des extraits d'oeufs de grenouille. Xenopus laevis est un organisme modèle car il est proche, d’un aspect phylogénétique, de l'homme, et il est particulièrement adapté à l’étude de la division cellulaire. Nous avons également utilisé une méthode in vitro (appelée spindle array ou puce à fuseaux) qui a été développée au sein du groupe de recherche auparavant, et qui offre certains avantages par rapport aux approches existantes. Une puce à fuseaux est composée de billes recouvertes de chromatine immobilisées selon des micro-motifs géométriques obtenus selon une technique d’impression par microcontact. L'assemblage des fuseaux méiotiques a été visualisé par microscopie confocale à fluorescence. Grâce à ces outils, nous avons, lors d’un premier projet, abordé le rôle de l’Augmin dans l'assemblage des fuseaux. L’Augmin est un complexe protéique récemment identifié grâce à son hypothétique rôle dans la nucléation de microtubules à partir de microtubules existants. Après déplétion de l’Augmin, nous avons constaté que la nucléation des microtubules était réduite et que les fuseaux avaient une morphologie anormale. De plus, ces derniers qui étaient essentiellement multipolaires sont progressivement devenus bipolaires grâce à une voie de nucléation des microtubules, découverte lors de notre étude, émanant des pôles acentrosomaux et qui est indépendante de l’Augmin. Nos résultats révèlent que l’Augmin est essentiel pour l’assemblage et la bipolarité du fuseau acentrosomal. Au cours d’un second projet, nous avons étudié les fonctions des chromokinésines kinésine-4 (Xklp1) et kinésine-10 (Xkid) dans l'assemblage des fuseaux et leurs mouvements. Xkid participe à la force d’éjection polaire nécessaire à la congression des chromosomes alors que Xklp1 contribue principalement à la régulation de la dynamique des microtubules. En étudiant l'assemblage de fuseaux dans des extraits après déplétion de Xkid, Xklp1 ou les deux, nous avons démontré que Xkid limite la dynamique des mouvements longitudinaux des fuseaux, contribue à la mise en place de la bipolarité et régule la longueur des fuseaux. Nous avons également quantifié la cinétique de nucléation des microtubules et confirmé le rôle de Xklp1 dans la régulation de la dynamique des microtubules. L’ensemble de nos travaux contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes d’assemblage du fuseau méiotique et confirme la pertinence de notre méthode pour l'étude de sa morphogenèse. / Cell division is essential for the survival of every living organism. During this process, the chromosomes of the dividing cell are transmitted to the two daughter cells. The partition of the chromosomes is orchestrated by a transient sub-cellular structure called the mitotic spindle (or meiotic spindle in gamete cells). The spindle is composed of microtubules, numerous proteins and molecular motors, which interact in an intricate and yet precise manner leading to a highly dynamic and complexstructure. As some molecular mechanisms remain elusive, we have chosen to address the question of meiotic spindle assembly in Xenopus egg extracts. Xenopus laevis is a model system that is evolutionary close to human, and suitable for cell division studies. We have combined this with an in vitro assay - spindle array - which we developed prior to this work, and which provides advantages over existing approaches. A spindle array is composed of chromatin-coated beads that are immobilized according to geometrical patterns obtained by microcontact printing. The assembly of meiotic spindles wasvisualized by time-lapse fluorescence confocal microscopy. Using these tools, we first addressed the role of augmin in the assembly of meiotic spindles. Augmin is a recently identified protein complex that has been hypothesized to induce microtubule nucleation from the side of preexisting microtubules. By depleting augmin, we found that microtubule nucleationwas reduced and that spindles were morphologically impaired. Spindles were predominantly multipolar but finally reached bipolarity as a result of a newly uncovered augmin-independent microtubule nucleation pathway from acentrosomal poles. Our results thus reveal that augmin is essential for the proper establishment of the microtubule scaffolding and the bipolarity ofacentrosomal spindles. Secondly, we investigated the functions of the chromokinesins kinesin-4 (Xklp1) and kinesin-10 (Xkid)in acentrosomal spindle architecture and motions. Xkid plays a major role in the polar ejection forces leading chromosome movements during congression while the main function of XKlp1 is to regulate microtubule dynamics. We studied spindle assembly in depleted extracts and we report that Xkid limits the dynamics of spindle longitudinal movements, contributes to spindle bipolarity and affects spindle length while XKlp1 controls the spindle microtubule mass. Altogether these findings contribute to a better understanding of meiotic spindle assembly and confirm the pertinence of our method to study spindle morphogenesis.

L’objectif de cette thèse est d'étudier l'influence d'hydrogels de faibles rigidité sur l’organisation de la chromatine de cellules épithéliales PtK2 et cancéreuses SW480. Sur des hydrogels mous, la chromatine de PtK2 se structure en hétérochromatine. Les hydrogels très mous conduisent à la nécrose. Sur ces substrats, l'euchromatine, maintenue par inhibition de HDAC, guide la cellule en quiescence. Ces cellules se divisent après transfert sur surfaces rigides. Un processus de dissémination métastatique est développé en cultivant des cellules cancéreuses sur des hydrogels très mous (E20) et des surfaces rigides (verre). Les cellules meurent lors du 1er passage sur E20. Au 2ème passage sur E20, leur survie, motilité et pourcentage en hétérochromatine augmentent. Au 3ème passage, la survie et la motilité progressent cependant le pourcentage en hétérochromatine diminue. Du 1er-2ème passage, les cellules répondent à un processus de dissémination « hétérochromatine­ dépendant » , du 3ème-4ème passage à un processus « euchromatine-dépendant » . / The aim of this thesis is to investigate the influence of soft hydrogels on the chromatin plasticity of epithelial PtK2 and cancer cells SW480. On soft hydrogels, the chromatin of PtK2 cells is organized in heterochromatin. The very soft hydrogels direct the cell death by necrosis. On these substrates, the euchromatin maintained by inhibition of HDAC guides the cells into quiescence. These cells transferred on stiff substrate enter in mitosis. A process of metastatic dissemination is developed from cancer cells grown on very soft hydrogels (E20) and stiff surfaces (glass). On the 1st seeding on E20, cells die. The 2nd seeding on E20 shows that cell viability, motility and heterochromatin percentage increase. On the 3rd seeding on E20, survival and motility continue to increase while the heterochromatin percentage decrease. From the 1st- 2nd E20 seeding, cells respond to a heterochromatin-dependent process of metastatic dissemination and from the 3rd-4th E20 seeding to an euchromatin-dependent process.

Les dinoflagellés sont un groupe très varié d’eucaryotes unicellulaires principalement retrouvés en milieu marin où ils ont un rôle écologique majeur dans la production primaire des océans et dans la formation des récifs coralliens. Ils sont aussi responsables de phénomènes néfastes comme les marées rouges et la production de toxines qui contaminent les crustacées et les poissons lorsque les conditions sont propices à leur multiplication rapide. Ces organismes possèdent des caractéristiques moléculaires uniques chez les eucaryotes, particulièrement en ce qui a trait au noyau. Le génome des dinoflagellés s’y retrouve condensé sous forme de cristal liquide stabilisé par des cations métalliques plutôt que sous forme de nucléosomes organisés par des histones. Cette forme condensée persiste tout au long du cycle cellulaire et limite la transcription des gènes à des boucles d’ADN qui se retrouvent à la périphérie des chromosomes. Ces caractéristiques inhabituelles, jumelées à une taille souvent imposante de leur génome, ont grandement limité l’étude des mécanismes moléculaires de base comme la régulation de la transcription. Afin de mieux caractériser ce processus chez ces organismes, le dinoflagellé Lingulodinium polyedrum, qui est étudié majoritairement pour ses multiples rythmes circadiens, a été utilisé. Tout d’abord, le séquençage à haut-débit a été utilisé afin de caractériser le transcriptome complet de l’organisme à quatre temps différents au cours d’une journée. De façon surprenante, ce séquençage a montré que très peu des transcrits varient entre les temps et que ces variations sont de faible amplitude, ce qui contraste fortement avec les résultats obtenus chez d’autres groupes d’organismes. Une inhibition pharmacologique de la transcription a aussi été effectuée et montre que les rythmes de photosynthèse et de bioluminescence continuent d’osciller de façon circadienne en absence de transcription. Ces résultats suggèrent que le modèle traditionnel de génération des rythmes circadiens par des boucles de rétroaction transcription/traduction est probablement absent chez Lingulodinium. La deuxième approche consiste en la caractérisation de deux protéines à domaine cold-shock (CSD), un domaine d’origine bactérienne qui est fortement surreprésenté chez les dinoflagellés et annoté comme potentiel facteur de transcription. Ces deux protéines ont une préférence pour la liaison de l’ADN simple brin versus l’ADN double brin tout en étant ii capable de lier de l’ARN. Par ailleurs, ces liaisons aux acides nucléiques ne sont pas spécifiques à une séquence particulière. L’analyse de leur abondance après un passage prolongé en condition froide n’a pas permis de déceler une augmentation importante de l’abondance des deux protéines et celles-ci sont également incapable de complémenter un quadruple mutant des protéines cold-shock chez E. coli. Ces données suggèrent que les CSDs des dinoflagellés ne sont probablement pas des facteurs de transcription séquence-spécifique et qu’ils ont également une fonction différente des protéines bactériennes. La troisième approche consiste en la réticulation in vivo des protéines interagissant avec la chromatine. Après réticulation, la chromatine a été purifiée et les protéines associées à ceux-ci ont été extraites et identifiées par spectrométrie de masse. Parmi les protéines identifiées, il y a un nombre réduit de protéines de liaison à l’ADN en comparaison avec des données similaires chez les animaux. Des peptides provenant d’une histone H4 ont aussi été identifiés, ce qui consiste en une des premières identifications de ce type de protéine chez les dinoflagellés. Plusieurs protéines de liaison à l’ARN ont été identifiées et pourraient permettre de réguler diverses étapes de la biologie des ARNm et ainsi moduler la traduction. Quelques protéines reliées au contrôle du cycle cellulaire et à la réparation de l’ADN ont aussi été identifiées. Mises ensemble, ces trois approches permettent de suggérer que la régulation de la transcription et de l’abondance des ARNm semblent avoir une importance moindre chez les dinoflagellés que chez les autres eucaryotes. / Dinoflagellates are a diverse group of unicellular eukaryotes found in marine habitat where they have a major role in the primary production of the ocean and in the formation of coral reefs. They are also responsible for some of the harmful algal blooms whose toxin production can contaminate crustacean and fish. Dinoflagellates possess unique molecular characteristics in eukaryotes, especially for their nucleus. For example, their genome is found in a permanently condensed liquid crystalline state stabilized by metallic cations instead of the nucleosome organized by histones. This condensed form persists throughout the cell cycle and limits transcription to DNA loops localized at the periphery of the chromosomes. These unusual characteristics, coupled with a generally large genome size, have greatly limited the study of basic molecular mechanisms such as transcription regulation. In order to better characterize this process for the dinoflagellates, I used Lingulodinium polyedrum, a dinoflagellate studied extensively for its circadian rhythms. As a first approach, high-throughput sequencing was used to characterize the complete transcriptome of the organism at four different times throughout the day. Surprisingly, this sequencing revealed that an extremely low number of transcripts vary in abundance between time points and that those variations are of low amplitude, a result in stark contrast with what has been observed in other organisms. A pharmacological inhibition of transcription was also done and shows that bioluminescence and photosynthesis rhythms persist in absence of transcription, suggesting that the classical transcription/translation feedback loop used to generate rhythmic timing in eukaryotes is probably absent in Lingulodinium. The second approach was the characterization of two proteins with a cold-shock domain (CSD), a type of domain strongly overrepresented in dinoflagellates and predicted to be a potential transcription factor. Those two proteins showed a preferential binding to single stranded DNA versus double stranded DNA while also being able to bind RNA, and were not specific to a particular sequence. Protein abundance analysis after a prolonged cold shock did not yield a massive increase in the abundance of those two proteins, as seen in E. coli. Furthermore, neither protein was able to complement a quadruple cold shock protein (CSP) mutant in E. coli. Data gathered here suggest that CSD proteins in dinoflagellates are probably iv not sequence-specific transcription factors and may also have a function different from bacterial CSP. The third approach consisted of the in vivo cross-linking of chromatin-interacting proteins. After cross-linking, the chromatin was purified and the proteins associated with it extracted and identified by mass spectrometry. Of the identified proteins, few DNA binding proteins were found, unlike similar studies done in animals. Peptides derived from a histone H4 were discovered, one of the first instances of histone identification in dinoflagellates. Multiple proteins able to bind RNA have been identified and could be used to regulate multiple steps of RNA biology and therefore modulate RNA translation. Some proteins related to cell cycle control and DNA repair were also identified. Taken together, these three approaches support the view that the transcriptional regulation and control over mRNAs abundance seem to have a lower importance in dinoflagellate than in other eukaryotes.

Le complexe linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) est un complexe protéique conservé au cours de l’évolution, reliant les compartiments cytoplasmiques et nucléaires au travers la membrane nucléaire. Bien que les données récentes montrent une de ce complexe dans la régulation de la morphologie nucléaire et de la méiose, son implication dans l’organisation de la chromatine a été moins étudié chez les plantes. Le premier objectif de ce travail était de développer un plugin NucleusJ ImageJ dédié à la caractérisation de la morphologie nucléaire et de l’organisation de la chromatine en 3D. NucleusJ calcul 15 paramètres, y compris la forme et la taille des noyaux ainsi que des objets intra-nuclaires et leur position dans le noyau. Une documentation pour ce programme est disponible pour son utilisation, ainsi que des qu’un jeu données de noyaux pour tester ce programme. Plusieurs améliorations sont en cours pour développer une nouvelle version de ce plugin. Dans une deuxième partie de ce travail, des méthodes d’imagerie 3D ont été utilisées pour étudier la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine dans les noyaux interphasiques chez Arabidopsis thaliana dans lequel les domaines d’htrochromatique sont groupés en régions detectable appelés chromocentres. Ces chromocentres forment un environnement répressif contribuant la rpression transcriptionnelle de séquences répétées permettant la stabilité du génome. Des mesures quantitatives de la position 3D de chromocentres dans le noyau montrent que la plupart chromocentres sont situés proximité de la périphérie du noyau, mais que cette distance peut être modifiée par le volume nucléaire ou dans certains mutants affectant le complexe LINC. Ce complexe LINC est proposé pour contribuer l’organisation de la chromatine et à son positionnement, de plus la mutation de ce complexe est associée une dérégulation l’inactivation de la transcription, ainsi qu’a une décompaction des séquences hétérochromatiques. La dernière partie de ce travail tire profit de séquences gnomiques disponibles et les données de RNA-seq pour explorer l’évolution des protines de la NE chez les plantes. Au Final, le travail réalisé durant cette thèse associe la génétique, la biologie moléculaire, la bioinformatique et de l’imagerie afin de mieux comprendre la contribution de l’enveloppe nucléaire dans l’organisation de la morphologie du noyaux et de la chromatine et suggère l’implication fonctionnelle du complexe LINC dans ces processus. / The linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex is an evolutionarily well-conserved protein bridge connecting the cytoplasmic and nuclear compartments across the nuclear membrane. While recent data supports its function in nuclear morphology and meiosis, its implication for chromatin organisation has been less studied in plants. The first aim of this work was to develop NucleusJ a simple and user-friendly ImageJ plugin dedicated to the characterisation of nuclear morphology and chromatin organisation in 3D. NucleusJ quantifies 15 parameters including shape and size of nuclei as well as intra-nuclear objects and their position within the nucleus. A step-by-step documentation is available for self-training, together with data sets of nuclei with different nuclear organisation. Several improvements are ongoing to release a new version of this plugin. In a second part of this work, 3D imaging methods have been used to investigate nuclear morphology and chromatin organisation in interphase nuclei of the plant model Arabidopsis thaliana in which heterochromatin domains cluster in conspicuous chromatin regions called chromocentres. Chromocentres form a repressive chromatin environment contributing to the transcriptional silencing of repeated sequences a general mechanism needed for genome stability. Quantitative measurements of 3D position of chromocentres in the nucleus indicate that most chromocentres are situated in close proximity to the periphery of the nucleus but that this distance can be altered according to nuclear volume or in specific mutants affecting the LINC complex. Finally, the LINC complex is proposed to contribute at the proper chromatin organisation and positioning since its alteration is associated with the release of transcriptional silencing as well as decompaction of heterochromatic sequences. The last part of this work takes advantage of available genomic sequences and RNA-seq data to explore the evolution of NE proteins in plants and propose a minimal requirement to built the simplest functional nuclear envelope. Altogether, work achieved in this thesis associate genetics, molecular biology, bioinformatics and imaging to better understand the contribution of the nuclear envelope in nuclear morphology and chromatin organisation and suggests the functional implication of the LINC complex in these processes.

Chez les animaux, la conformation unique du noyau du spermatozoïde dont la chromatine est organisée avec des protéines chromosomiques spécifiques telles que les protamines le rend totalement inactif. Le remodelage de la chromatine paternelle à la fécondation par des activités d'origine maternelle sont donc des processus essentiels à la formation d'un embryon diploïde, dont les mécanismes restent très mal connus. Lors de ma thèse j'ai essayé de mieux comprendre ces processus par l'étude, chez la drosophile, d'un mutant létal embryonnaire à effet maternel : maternal haploid (mh). Ce mutant affecte l'incorporation des chromosomes paternels à la première division zygotique menant à la formation d'embryons haploïdes gynogénétiques. L'identification du gène de mh comme CG9203 m'ont permis de caractériser sa fonction. Dans les œufs mh, les chromosomes paternels se condensent anormalement et ne parviennent pas à se diviser correctement lors de la première mitose de l'embryon. Récemment, des études sur son orthologue humain, appelé Spartan/DVC1, ont montré qu'il était impliqué dans la synthèse translésionnelle (TLS), un mécanisme de tolérance aux dommages d'ADN. J'ai pu démontrer que dans les cellules somatiques, la fonction de Spartan dans le TLS est conservée chez la drosophile. Cependant, la fonction maternelle de MH ne relève pas du TLS canonique, mais permet de maintenir l'intégrité de l'ADN paternel avant la réplication. Ensemble, mes travaux soulignent la singularité du pronoyau mâle et la complexité que présente le maintien de son intégrité à la fécondation / In animals, sexual reproduction requires the union between two distinct parental gametes: the spermatozoon and the oocyte. The unique nuclear conformation of the sperm, in which the chromatin is organized with sperm-specific chromosomal protein like protamines, abolishes its activity. The paternal chromatin remodeling and the maintenance of its integrity at fertilization by maternal activities are therefore essential processes for zygote formation. However, although their mechanisms are crucial, they remain poorly understood. During my thesis, I tried to better understand the processes involved during de novo paternal chromatin assembly in Drosophila through the study of a maternal embryonic lethal mutation: maternal haploid (mh). The mutant affects the incorporation of paternal chromosomes during the first zygotic division, leading to the development of gynogenetic haploid embryos. The identification of the mh gene as CG9203, and the generation of the null allele mh2 allowed me to characterize its function. In eggs led by mh mutant females, paternal chromosomes abnormally condense and fail to divide leading to the formation of chromatin bridges at the first embryonic division. Recently, its human ortholog Spartan/DVC1, has been described to be involved in translesion synthesis (TLS), a DNA damage tolerance pathway that ensures replication fork progression. Combining genetic and cytological approaches, I demonstrated that the Spartan function in TLS is conserved in Drosophila. However, I discovered that the critical function of MH during the first embryonic division, was not consistent with a canonical TLS. Alternatively, it is specifically required to maintain paternal integrity and to allow its proper replication at the first cycle. The mh phenotype characterization, led me to compare it with others phenotypes induced by the knock-down of replication factors and to study parental chromosome condensation in the zygote. Surprisingly, one of the proteins allowing the establishment of the pre-replication complex is dispensable for the proper paternal chromosome segregation contrarily to the maternal counterpart. Altogether, these works highlight the difference that exists between the two parental pronuclei and the complexity of maintaining their integrity at fertilization

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

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La leucémie est une forme de cancer qui affecte les cellules du système hématopoïétique. Selon la lignée cellulaire affectée et la vitesse de développement du cancer, la leucémie peut être myéloïde ou lymphoïde, aiguë ou chronique, respectivement. Chez les enfants, elles sont souvent caractérisées par la présence de translocations chromosomiques, impliquant notamment le gène KMT2A. L'impact biologique de ces fusions de gènes, connues pour être des perturbateurs épigénétiques, est encore mal compris. Afin d’étudier spécifiquement les conséquences de la présence de fusion impliquant le gène KMT2A, un modèle leucémique humain chez la souris a été mis en place. Le modèle utilisé consiste à induire de manière rétrovirale l’expression d’une fusion oncogénique dans des cellules souches hématopoïétiques et progénitrices d’un unique donneur sain. Ces cellules sont ensuite injectées dans des souris immunodéficientes pour produire une leucémie aiguë myéloïde ou lymphoïde après quelques semaines. L’utilisation de ce modèle leucémique vise à définir les gènes qui sont régulés de manière épigénétique et essentiels dans le processus de leucémogenèse médié par une translocation chromosomique faisant intervenir le gène KMT2A. La première partie des travaux cartographie les changements génétiques et épigénétiques à chacun des stades de la leucémogénèse causée par la fusion KMT2A-MLLT3. Nous avons cartographié les changements épigénétiques tels que la méthylation de l’ADN (Methyl-seq), les modifications des histones (ChIP-seq) et l’accessibilité de la chromatine (ATAC-seq), puis les avons corrélés avec les niveaux d’expression des gènes (RNA-seq). Nous avons observé que les leucémies myéloïdes aiguës présentent un phénotype global d'hypométhylation tandis que les changements d'expression après l'addition de la fusion ont mis en évidence l’inactivation de gènes associés aux cellules souches et des altérations dans d'autres gènes impliqués dans la leucémogenèse tels que S100A8/9. Nos données d’ATAC-seq ont montré qu'il y avait relativement peu de changements spécifiques à la leucémie myéloïde aiguë et que la grande majorité correspondait à des régions de chromatine ouvertes et à des régions contenant des motifs pour des facteurs de transcription précédemment observés dans d'autres types de cellules sanguines. L’analyse des marques d’histones associées à des promoteurs actifs suggère également un potentiel rôle du récepteur CCR1 et de son ligand spécifique CCL23. Finalement, nos résultats suggèrent que la transformation leucémique par la fusion KMT2A-MLLT3 implique des modifications épigénétiques minimes qui requièrent également la coopération des réseaux transcriptionnels utilisés dans les cellules sanguines normales. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse à la fusion de gènes KMT2A-MLLT4, une translocation chromosomique peu étudiée mais pour laquelle le pronostic vital des patients est connu pour être défavorable et pire que celui des patients porteurs de la fusion KMT2A-MLLT3. L’extension de notre modèle à la fusion KMT2A-MLLT4 nous permet d’appliquer les mêmes approches que précédemment et de détailler les différences génétiques et épigénétiques entre ces deux fusions, jusqu’à maintenant jamais caractérisées. Nous avons pu observer une baisse globale d’expression dans un groupe de gènes intervenant dans les processus ribosomaux et traductionnels. Par ailleurs, PROM1 (CD133) fait office de potentiel candidat biomarqueur permettant la distinction entre ces deux translocations chromosomiques tandis que le gène LPL pourrait jouer un rôle dans la leucémogenèse médiée par la fusion de gènes KMT2A-MLLT4. En conclusion, l’étude des mécanismes à chacun des stades du développement leucémique nous a fourni une meilleure compréhension des changements épigénétiques intervenant dans le processus de leucémogenèse causé par des réarrangements de type KMT2A. Une meilleure caractérisation de la pathophysiologie de la leucémie pourrait permettre d’explorer des avenues thérapeutiques plus ciblées. / Leukemia is a form of cancer that affects blood cells. Depending on the affected cell lineage and the rate at which the cancer grows, leukemia can be myeloid or lymphoid, or acute or chronic, respectively. In children, they are often characterized by the presence of chromosomal translocations, in particular involving the KMT2A gene. The biological impact of these gene fusions, known to be epigenetic disruptors, is still poorly understood. To study the consequences of the presence of gene fusions involving KMT2A, we have developed a human leukemia model. The model consists of transducing hematopoietic stem and progenitor cells (CD34+) from a single healthy donor with a retrovirus bearing an oncogenic fusion. These cells are injected into immunodeficient mice to produce acute myeloid or lymphoid leukemia after a few weeks. By using this model, we aim to define genes that are epigenetically regulated and essential in the process of leukemogenesis mediated by KMT2A gene fusions. The first part of this thesis characterized the genetic and epigenetic changes at each step of leukemogenesis caused by KMT2A-MLLT3 gene fusion. We investigated epigenetic changes such as DNA methylation (Methyl-seq), histone marks (ChIP-seq), and chromatin accessibility (ATAC-seq) and correlated these with expression changes (RNA-seq). We observed that acute myeloid leukemias exhibit a profound hypomethylation phenotype while expression changes after addition of the fusion highlighted the loss of stem cell associated genes and alterations in other genes implicated in leukemogenesis such as S100A8/9 in the early stages of leukemic transformation. Our ATAC-seq data showed that there were relatively few changes specific to acute myeloid leukemia and that the vast majority corresponded to open chromatin regions and clusters of transcription factors previously seen in other types of blood cells. Examination of ChIP-seq data for active histone marks revealed that leukemia specific expression of the chemokine CCL23 can enable autocrine signalling through its cognate receptor, CCR1. Our results suggest that KMT2A-MLLT3 induces minimal changes in the epigenome while co-opting the normal transcriptional machinery to drive leukemogenesis. The second part of this thesis focuses on KMT2A-MLLT4 gene fusion, another chromosomal translocation for which the vital prognosis of patients is known to be worse than that of patients carrying the KMT2A-MLLT3 fusion. The extension of our model to the KMT2A-MLLT4 fusion allows us to apply the same approaches and to characterize the genetic and epigenetic differences between these two different leukemias. We were able to observe a dramatic decrease in the expression level of a group of genes involved in ribosomal and translational processes. Furthermore, PROM1 (CD133) acts as a potential biomarker candidate which might be used to make the distinction between these two leukemias. LPL gene might play a role in leukemogenesis mediated by KMT2A-MLLT4 gene fusion. In conclusion, studying the mechanisms at each stage of leukemic development has provided us with a better understanding of the epigenetic changes involved in the process of leukemogenesis mediated by KMT2A rearrangements. A better characterization of the pathophysiology of leukemia could make it possible to eventually develop more targeted therapeutic treatments.

Durant l’hématopoïèse, les cellules souches hématopoïétiques peuvent soit s’autorenouveler soit se différencier dans les divers types de cellules matures constituant le système hématopoïétique. Un des modèles prédominants sur le développement du système hématopoïétique postule une différenciation par étape des différentes lignées le constituant. Ce modèle débute avec les cellules souches hématopoïétiques qui donnent naissance à des précurseurs multipotents qui peuvent à leur tour se différencier en précurseurs dédiées à la lignée lymphoïde ou myéloïde. Bien que la dernière décennie ait apporté de nombreuses connaissances sur les principales signalétiques transcriptionnelles impliquées dans le développement hématopoïétique, le détail des mécanismes moléculaires en jeu expliquant comment les cellules souches hématopoïétiques sont initialement amorcées puis complètement engagées vers une voie de différenciation reste toujours à élucider. Le travail de notre laboratoire indique que l’assemblage combinatoire du complexe de remodelage de la chromatine SWI/SNF est un élément clé parmi les mécanismes épigénétiques qui gouvernent le destin cellulaire et notamment la famille de sous-unités Smarcd qui comporte 3 membre alternatifs Smarcd1/2/3. Des analyses du transcriptome par séquençage haut débit ont montré que l’expression de la sous-unité Smarcd1 du complexe est élevée dans le compartiment des cellules souches, les précurseurs multipotents et les progénitures lymphoïdes tandis que la sous-unité Smarcd2 est principalement exprimée dans les précurseurs myéloïdes. En utilisant des modèles de délétion conditionnelle dans des modèles murins, nous avons démontré que Smarcd1 et Smarcd2 jouent des rôles critiques et lignés spécifiques durant l’hématopoïèse. Dans un premier temps, nous avons pu montrer que Smarcd1 collabore avec le facteur de transcription de la famille bHLH E2A pour spécifier le destin lymphoïde des précurseurs multipotents et qu’elle est donc absolument essentielle pour la lymphopoïèse. Notre travail sur les mécanismes moléculaires en jeu a pu montrer que Smarcd1 interagit directement avec E2A et est nécessaire pour l’accessibilité de la chromatine sur un ensemble de régions enrichies avec les modifications d’histones H3K27ac/H3K3me1 qui marquent des régions activatrices (« enhancer ») impliquées dans l’activation d’une signature lymphoïde dans les précurseurs multipotents. Le blocage de l’interaction entre Smarcd1 et E2A inhibe l’amorce de cette signature lymphoïde et bloque l’émergence de précurseurs destinés à la voie lymphocytaire. Concernant la fonction de Smarcd2, nous avons pu montrer que cette sous-unité est absolument nécessaire pour la granulopoïèse. Les souris ayant subi une délétion génétique de Smarcd2 deviennent très rapidement neutropéniques. Ce phénotype découle d'un blocage au stade de différenciation myélocyte/métamyélocyte, tandis que les autres lignées hématopoïétiques restent non affectées par la délétion. Nous avons pu identifier le facteur de transcription C/ebpƐ comme un partenaire essentiel de Smarcd2 qui interagit avec le complexe SWI/SNF sur les promoteurs de gènes de granules secondaires afin d’en activer la transcription. Les analyses du transcriptome que nous avons effectué lorsque l’interaction de Smarcd2 et C/ebpƐ est interrompue dans des précurseurs de granulocytes ont montré une diminution de l’expression des gènes de granules secondaires liée à une maturation incomplète des granulocytes menant au développement d’un syndrome de myélodysplasie au court du temps. / During hematopoiesis, hematopoietic stem cells (HSCs) either selfrenew or differentiate into all mature blood cell types through successive rounds of binary cell fate decisions. The prevailing model of hematopoiesis predicts a step-by-step model of lineage differentiation in which HSCs first give rise to multipotent progenitors that subsequently differentiate into myeloid and lymphoid restricted progenitors. Although key transcriptional pathways controlling hematopoietic development are beginning to be deciphered, detailed molecular mechanisms explaining how HSCs and progenitors are initially primed and then commit to the different hematopoietic cell lineages are lacking. Work from our laboratory indicates that combinatorial assembly of the mammalian SWI/SNF (mSWI/SNF) chromatin remodeling complex is a key epigenetic mechanism that governs cell fate decisions. Transcriptomics analyses revealed that expression of the Smarcd1 subunit is enriched in hematopoietic stem/progenitors and early lymphoid cells, while Smarcd2 is mainly expressed in myeloid progenitors. Using conditional knock-out mouse models, we demonstrated that Smarcd1 and Smarcd2 subunits perform critical and lineage-specific roles during hematopoiesis. First, we found that Smarcd1 collaborates with the bHLH transcription factor E2A to specify lymphoid cell fate during hematopoiesis and, therefore, is absolutely required for lymphopoiesis. Mechanistically, we showed that Smarcd1 physically interacts with E2A and is required for chromatin accessibility of a set of H3K27ac/H3K4me1-enriched enhancers that coordinate activation of the early lymphoid signature in hematopoietic stem cells. Impairing the interaction between Smarcd1 and E2A inhibits lymphoid lineage determination and the emergence of lymphoid-primed multipotent progenitors. Conversely, we showed that Smarcd2 is absolutely required for granulopoiesis. Smarcd2-deficient mice quickly become neutropenic due to a XIII block at the myelocyte/metamyelocyte stage of granulocyte maturation while other lineages remain unaffected. We discovered that Smarcd2 interacts with the transcription factor C/ebpε to recruit the mSWI/SNF complex on the promoter of secondary granule genes, thus inducing their transcriptional activation. As shown by transcriptomic analysis, impairing this interaction results in decreased expression of secondary granule genes, improper granulopoietic maturation, and development of a myelodysplastic-like syndrome over time. Altogether, this work identifies the Smarcd1 and Smarcd2 subunits of SWI/SNF complexes as master chromatin remodelers allowing the recruitment of lineage-specific transcription factors at key regulatory loci controlling lymphoid lineage priming and granulocyte development, respectively. More globally, these studies highlight that combinatorial assembly of alternative subunits of mSWI/SNF complexes is a key epigenetic mechanism controlling cell fate decisions during hematopoiesis.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.