Les chromosomes sont organisés en plusieurs niveaux hiérarchiques de repliements de la chromatine. Cette organisation spatiale de la chromatine dans le noyau a été impliquée dans la régulation de nombreux processus cellulaires comme la réplication ou la transcription. En effet, différentes expériences suggèrent que la chromatine est organisée en boucles, dont les bases seraient maintenues attachées ensemble, formant une structure qui serait un soutien structurel de la chromatine.Mon projet de thèse a visé à identifier les séquences d'ADN constituant la base de ces boucles de la chromatine par hybridation sur puces. Notre étude a été réalisée sur des MEF asynchrones et synchronisées en G0/G1 afin d'établir la dynamique des MARs au cours du cycle cellulaire.Nos résultats montrent que les MARs constituent des grands domaines, qui sont associés de façon significative avec les domaines d'ADN liées à la Lamine B1 et les domaines tardifs du timing de réplication. L'analyse des MARs ayant été réalisée sur des MEFs synchronisées en G0, les domaines de timing seraient donc déjà définis en G0/G1. L'analyse de plusieurs marques des histones suggère que les MARs sont associées à la chromatine transcriptionnellement inactive. En parallèle, nous avons réalisé une analyse protéomique de la matrice. Celle-ci a permis de valider notre approche expérimentale mais nous a aussi donné l'opportunité de caractériser la matrice nucléaire d'un point de vue protéique.L'ensemble de nos résultats révèle que les séquences d'ADN liées à la matrice nucléaire constituent une zone de répression, tant au niveau transcriptionnel que réplicatif. / Chromosomes are organised into several hierarchical levels of chromatin compaction. This spatial organization of chromatin in the nucleus has been involved in regulating many cellular processes such as DNA replication and transcription. Indeed, different experiments suggest that chromatin is organized in loops, whose bases are kept attached together, forming a structure, often called the nuclear matrix, acting as a structural support of the chromatin. My project was to identify the DNA sequences that belong to the bases of these chromatin loops. Matrix-attached regions (MARs) were mapped by hybridization on microarrays. This study was performed on asynchronous as well as G0/G1-phase synchronized MEFs to establish the dynamics of MARs during the cell cycle. MARs were found in megabase-sized domains, with sequences significantly related to previously-published Lamin B1 associated domains and replication timing domains. Since our analysis of MARs was performed on G0-synchronized MEFs, our data strongly suggest that the timing domains might already be defined in G0/G1. Analysis of several histone marks suggested that MARs were associated with transcriptionally-repressed chromatin. In parallel, we also performed a proteomic analysis of our matrix preparations, and found known "matrix-attached" proteins, thus validating our experimental approach, plus other components that permitted a better characterization of the nuclear matrix. Taken together, our results show that DNA sequences bound to the nuclear matrix constitute a repressive zone, at the transcription and replication levels.

La réplication de l'ADN au cours de la phase S est initiée au niveau de sites spécifiques, appelés origines de réplication, qui sont distribués de manière adéquate le long des chromosomes et actifs une seule fois par cycle cellulaire. Les mécanismes qui contrôlent la position des origines de réplication restent énigmatiques chez les mammifères. Les travaux réalisés pendant cette thèse révèlent que la lysine méthyltransférase PR-Set7 humaine, responsable de la mono-méthylation de la lysine 20 de l'histone H4, induit un réarrangement chromatinien au niveau des nombreuses origines de réplication des gènes actifs. Celui-ci est caractérisé par la mono- et tri-méthylation de la lysine 20 de l'histone H4 et la tri-méthylation de la lysine 4 de l'histone H3. Ce profil de méthylation d'histones constituerait un signal épigénétique pour le recrutement sur la chromatine des facteurs nécessaires à la formation des origines de réplication, indépendamment d'un rôle sur la transcription. En effet, la présence d'une forme active de PR-Set7 en amont d'un gène rapporteur est suffisante pour induire cette cascade de méthylation et la formation d'une nouvelle origine de réplication au niveau de ce gène sans en modifier son expression. De la même manière, l'inactivation de l'enzyme dans une cellule conduit à l'inverse à une diminution du nombre total d'origines sans un effet majeur sur l'expression des gènes. Lors de la phase S, PR-Set7 est dégradée via le complexe E3 ligase CRL4Cdt2 et la protéine PCNA. Cette dégradation permet la disparition au niveau de la chromatine du signal de formation des origines, s'assurant ainsi qu'elles sont actives une seule fois par cycle. La mutation du domaine d'interaction avec PCNA est suffisante en effet pour empêcher la dégradation de PR-Set7, entraînant alors la formation et activation répétées des origines pendant la phase S (phénotype de sur-réplication). Ces résultats établissent la cascade de méthylation initiée par PR-Set7 pendant la mitose comme le mécanisme épigénétique contrôlant la mise en place et l'activation d'au moins la moitié des origines de réplication chez les mammifères. / In order to ensure accurate inheritance of genetic information through cell proliferation, chromosomes must be precisely copied once and only once and then correctly distributed to daughter cells. Chromosome replication occurs during the S phase of the cell cycle and is initiated at discrete chromosomal sites called replication origins. However, the ability to activate replication origins occurs during mitosis of the previous cell cycle and continuing into early G1 phase. This crucial step, called DNA replication licensing, consists of the assembly of a multi-protein pre-Replicative Complex (pre-RC) onto origins, making them competent for replication. During S phase, pre-RC are inhibited by different ways, that ensures that origins are activated only once per cycle and prevents DNA rereplication (multiple initiations from the same origin). In metazoans, functional replication origins do not show defined DNA consensus sequences, thus evoking the involvement of chromatin determinants in the selection of these origins.During my thesis, I have discovered that that the onset of licensing in mammalian cells coincides with an increase in histone H4 Lysine 20 monomethylation (H4K20me1) at replication origins by the methyltransferase PR-Set7. By genome mapping of H4-20me1 signals during the cell cycle, we found that nearly half of origins that fire during S phase are associated with H4-K20me1 during mitosis, when the process of replication licensing is activated. This mitotic H4-K20me1 signature is highly significant for origins located near transcription start sites and promoters that are characterized by the presence of CpG islands and H3-K4me3 signals. Furthermore, tethering PR-Set7 methylase activity to an origin-free genomic locus is sufficient to promote a chromatin remodeling follow by a creation of a functional origin of replication and promotes replication initiation. PR-Set7 and H4K20me1 are cell-cycle regulated, with high levels during M and early G1 and very low in S phase. At the onset of S phase, PR-Set7 undergoes an ubiquitin-mediated proteolysis, which depends on its interaction with the sliding-clamp protein PCNA and involves the ubiquitin E3 ligase CRL4-Cdt2. Strikingly, expression of a PR-Set7 mutant insensitive to this degradation causes the maintenance of H4K20me1 and repeated DNA replication at origins. This photolytic regulation controls the initiation of replication origin.This suggests that a cascade of lysine methylation events, initiated by PR-Set7 during mitosis, would define the position of origins in open chromatin structures.

En réponse à son environnement composé de signaux endogènes et exogènes, une cellule doit pouvoir adapter son transcriptome, et cela à travers une modulation fine de l'expression de ses gènes. Les mécanismes permettant une telle adaptation reposent sur de multiples paramètres, entre autre l'organisation du génome, que ce soit au niveau de sa séquence primaire ou de son organisation au sein de la chromatine qui est un support pour l'intégration de nombreuses informations (structurelles et épigénétiques). De plus, l'organisation tridimensionnelle du noyau cellulaire apporte des contraintes physiques et fonctionnelles qui contribuent également à ces régulations. Afin de comprendre comment toutes ces informations peuvent être intégrées lorsqu'un signal régule la transcription d'un ensemble de gènes colinéaires («cluster» de gènes), nos études se sont focalisées sur la description et dissection des mécanismes impliqués dans la régulation coordonnées de gènes œstrogéno-dépendant par le récepteur aux œstrogènes (ER) et ses facteurs pionniers (FOXA1, FOXA2 et GATAs) dans des cellules cancéreuses d'origine mammaire. Dans ce cadre, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au cluster TFF, situé sur le bras long du chromosome 21, incluant le gène modèle TFF1, en utilisant des techniques d'analyse à grande échelle (ChIP-chip, ChIP-seq, 4C et analyses transcriptomiques). / A given cell has to be able to adapt its fate and homeostasis in response to endogenous and exogenous signals. This adaptation occurs through finely tuned regulations of genes' expressions leading to the variation of their transcriptomes. Multiple parameters have to be integrated in order to provide such mechanisms of regulation. First, the primary sequence of the genome and its organization into chromatin are major regulatory components that harbor genetic, structural and epigenetic information. Second, the three-dimensional organization of the genome into the nucleus brings both physical and functional constraints that also contribute towards these regulatory processes. Here, we engaged a work aiming to understand and dissect how these several levels of information are integrated during the transcriptional regulation of colinear genes (cluster of genes) by the same signal. We took as a model the coordinated regulation of the estrogen-sensitive TFF cluster driven by the estrogen receptor (ER) and its pioneering factors (FOXA1, FOXA2 and GATAs) in mammary cancer cells. This cluster is located within the long arm of the chromosome 21, and contains the gene model termed TFF1. We used large-scale methods (ChIP-chip, ChIP-seq, 4C and microarray transcriptomic analyses) to decipher these dynamic mechanisms.

L’adaptation cellulaire au stress dépend en partie de changements dans l’expression de gènes de réponse au stress, souvent accompagnés par des modifications dans la structure chromatinienne. Des facteurs chromatiniens pourraient être à l’origine de ces modifications mais leurs mécanismes d’action restent mal connus au cours du développement. La réponse aux protéines malconformées (UPR) est une réponse à des conditions de stress physiologique qui ciblent le réticulum endoplasmique (RE) ; l’UPR a été impliquée dans de nombreuses maladies humaines incluant le cancer et différents composants de cette réponse pourraient être de potentielles cibles pharmaceutiques. Nous avons démontré que HPL-2, l’homologue de la protéine HP1 chez Caenorhabditis elegans, est nécessaire pour la réponse au stress du RE. L’inactivation d’HPL-2 montre une résistance accrue au stress du RE qui dépend d’une part de la voie XBP-1 de l’UPR et d’autre part d’un flux autophagique augmenté. La résistance accrue des vers dépourvu d’HPL-2 est associée avec une augmentation de l’activation d’XBP-1 et de chaperonnes du RE en conditions physiologiques. L’expression d’HPL-2 est ubiquitaire et nous avons déterminé qu’HPL-2 joue un rôle antagoniste dans les cellules neuronales et intestinales pour influencer la réponse au stress du RE. Nous avons également montré qu’une modulation de l’état de la chromatine par une inhibition chimique d’histones déacétylases donnait le même phénotype que l’absence d’HPL-2. De plus, l’augmentation ou la diminution de la méthylation de la lysine 4 de l’histone 3 (H3K4me) joue également un rôle dans la réponse au stress du RE. Ces travaux contribuent ainsi à une meilleure compréhension du lien entre l’UPR, le stress du RE et la structure chromatinienne aussi bien dans un processus normal que dans certaines pathologies. / Cellular adaptation to environmental changes and stress relies on a wide range of regulatory mechanisms which are tightly controlled at several levels, including transcription. Chromatin structure and chromatin binding proteins are important factors contributing to the transcriptional response to stress. However, it remains largely unknown to what extent specific chromatin factors influence these distinct responses in a developmental context. One of the best characterized stress response pathways is the unfolded protein response (UPR), which is activated by accumulation of misfolded proteins in the endoplasmic reticulum (ER). Here, we show that Caenorhabditis elegans HPL-2, the homologue of the HP1 chromatin associated protein, is required for the ER stress response. Inactivation of HPL-2 results in enhanced resistance to ER stress dependent on the XBP-1 branch of the UPR and the closely related process of autophagy. Increased resistance to ER stress in animals lacking HPL-2 is associated with increased basal levels of XBP-1 activation and ER chaperones under physiological conditions. Using tissue specific rescue experiments, we find that HPL-2 plays antagonistic roles in intestinal and neuronal cells to influence the ER stress response. We further show that chemical inhibition of histone deacetylase activity mimics the HPL-2 loss of function phenotype, and that increasing or decreasing histone H3 lysine 4 methylation (H3K4me) has antagonistic effects on animal survival in response to ER stress. Altogether our results point to an important function for specific chromatin factors and chromatin modifications in maintaining ER homeostasis in a developmental context.

La régulation transcriptionnelle des eucaryotes supérieurs est un processus hautement contrôlé du point de vue spatial et temporel lors du développement, ou en réaction à l’environnement. La transcription ciblée des gènes codant requiert l’assemblage d’un complexe de pré-initiation (PIC) aux promoteurs comprenant l’ARN Polymérase (Pol) II et les facteurs généraux de transcription (GTFs) et dépend de la médiation d’un signal par les facteurs activateurs de transcription (TFs). Les années récentes ont montré que la transition de l’initiation vers l’élongation productive de la transcription représente une étape clé de la régulation de l’expression des gènes. Ce processus est également contrôlé par la structure de la chromatine, les modifications d’histones et par la présence d’éléments cis-régulateurs tels que les ‘enhancers’ ou les ‘silencers’. Au cours de ma thèse, nous avons entrepris de décrypter les mécanismes de régulation transcriptionnelle impliqués dans les étapes du développement lymphocytaire. Nous avons essentiellement travaillé sur des thymocytes primaires murins isolés au stade de différenciation double positif (DP, CD4+/CD8+) pour lequel de nombreuses séquences de type ‘enhancers’ ont été caractérisées dans la littérature scientifique. Nous avons également utilisé des lymphocytes B humains (Raji) immortalisés pour certaines des expériences impliquant des manipulation génétiques complexes permettant l’étude de mutants du domaine carboxy-terminal (CTD) de Pol II. En couplant des approches d’analyse à l’échelle du génome au séquençage à haut-débit, nous avons établi des cartographies fines de la localisation de Pol II, des GTFs, des TFs,de modifications d’histones (ChIP-Seq) et de nucléosomes (MNase-seq) ainsi que la caractérisation de populations variées d’ARN par RNA-seq. Nos principaux résultats ont révélé (i) l’assemblage du PIC et la transcription des enhancers tissus-spécifiques, (ii) l’existence de plateforme d’initiation de la transcription (TIPs) aux enhancers et aux promoteurs tissus-spécifique, (ii) que le contenu en GC représente l’un des principaux éléments promoteurs mammifères en permettant une ouverture transcription-indépendante de la chromatine, (iv) l’importance d’une nouvelle modification post-traductionnelle du domaine CTD de Pol II pour la progression de l’enzyme en élongation et finalement (v) que la modification de l’histone H3 sur le résidu K36 methylé corrèle avec l’épissage des transcrits Pol II. Globalement, les résultats les plus important de ce manuscrit consistent dans la mise en évidence de la transcription des enhancers comme caractérisant l’expression des gènes tissus-spécifiques et dans l’importance des ilots CpG comme éléments promoteurs mammifères permettant la formation d’une structure ouverte de la chromatine. / Transcriptional regulation in higher eukaryotes resembles a tightly controlled temporal and spatial process, as exemplified during development or an organism’s response to environmental stimuli. Directed transcription requires the assembly of the preinitiation complex (PIC) at the promoter of protein-coding genes, including RNA Polymerase (Pol) II and the general transcription factors (GTFs), mediated by activating transcription factors (TFs). Several rate-limiting steps further control the progression of Pol II initiation to productive elongation of the gene. This process is further controlled by chromatin structure, histone modifications as well as cis-regulatory elements, such as enhancers or silencers. We set out to decipher some of these regulatory mechanisms during the tightly controlled process of lymphocyte development. Our work primarily made use of primary mouse thymocytes in CD4+/CD8+ double positive (DP, CD4+/CD8+) stage during T-cell development. To our advantage, many developmentally important cis-regulatory regions are well characterized in this cell population. For genetic manipulations, we made use of the Raji B-cell lymphoma cell-line. Using high throughput genome-wide approaches based on next generation sequencing (NGS), we performed both localization studies of Pol II, GTFs, TFs, histone modifying enzymes, histone modifications and nucleosomes as well as deep-sequencing of different RNA transcript populations. In summary, we find that (i) PICs assemble at tissue-specific enhancers leading to local transcription, (ii) large transcription initiation platforms (TIPs) at tissue-specific promoters and enhancers exist, which correlate with high CG-content of the DNA and transcription factor binding sites (TFBS), (iii) GC-content regulates the nucleosomal structure and initiation, including directionality, at promoters, (iv) Pol II is phosphorylated at a new residue of it C-terminal domain (CTD) in the 3’ regions of genes and (v) splicing events can influence the chromatin structure. Altogether, these results show that PIC formation at and transcription of enhancers are important for the regulation of T-cell target genes, that CpG islands represent important if not the major regulatory promoter element in mammals guiding tissue-specific gene expression and nucleosome structure, as well as novel mechanisms of Pol II elongation and the effect on chromatin structure.

Le remodelage de la chromatine et la modification des histones jouent des rôles très importants dans l’établissement et la reprogrammation de l’état de l’expression génique. Il reste largement inconnu concernant les mécanismes de la régulation de ces processus chromatiniens dans le contrôle de l’expression génique impliquée dans le développement de la plante et son adaptation à l’environnement. Mon sujet de thèse se focalise sur l’analyse fonctionnelle d’un facteur de remodelage de la chromatine de type Chromodomain/Hélicase/DNA-binding 1 (CHD1) d’Arabidopsis, appelé CHR5 et une histone démethylase qui est spécifiquement impliquée dans la démethylation de l’histone H3 lysine 4 (H3K4), appelée JMJ15. Dans la première partie de cette étude, nous avons montré que le gène CHR5 est activé au cours de l’embryogénèse et que son expression se maintient élevé dans les tissues/organes en développement. L’analyse de mutants révèle que la perte de fonction de ce gène fait réprimer l’expression de gènes régulateurs de la maturation de l’embryon tels que LEC1, ABI3 et FUS3 pendant le développement des graines, et fait baisser l’accumulation des protéines de réserve. L’analyse de double mutants a permis de démontrer une fonction antagoniste entre CHR5 et PKL, une protéine du groupe « CHD3 », dans l’activité du promoteur de gènes régulateurs du développement de l’embryon et l’accumulation de réserve de graine. Nous avons montré que la protéine CHR5 s’associe directement avec les promoteurs d’ABI3 et FUS3 et que la mutation du gène CHR5 conduit à l’augmentation de présence de nucléosome dans la région du départ de transcription. Ces résultats suggèrent que CHR5 est impliquée dans le positionnement de nucléosome pour stimuler l’expression de gènes de la maturation de l’embryon, ce qui est contrebalancé par l’action de PKL au cours du développement de l’embryon. La deuxième partie de cette étude a permis de montrer que l’expression du gène de l’histone démethylase JMJ15 manifeste une forte spécificité tissulaire. L’analyse de mutants du gène a permis de l’identification de 2 allèles de gain de fonction (avec surexpression du gène), et un allèle de perte de fonction. La surexpression du gène réduit la croissance d’hypocotyle et de tige de la plante avec accumulation de lignine dans la tige, mais le perte de fonction du gène ne produise pas de phénotype apparent. Par ailleurs, la surexpression du gène renforce la tolérance de la plante au stress salin, alors la perte de fonction du gène rend la plante plus sensible. L’analyse du transcriptome a révélé beaucoup plus de gènes réprimés qu’activés par la surexpression du gène JMJ15. Ces gènes réprimés sont préférentiellement marqué la H3K4me2 ou H3K4me3, parmi lesquels beaucoup codent de facteurs de transcription. Ces données suggèrent que l’induction de JMJ15 pourrait réguler le programme de l’expression génique qui coordonne la restriction de la croissance de la plante et la tolérance au stress. Ces travaux de thèse a permis ‘identifier quelques nouveaux éléments dans la compréhension de la fonction de régulateurs chromatiniens dans l’expression génique de la plante. / Chromatin remodeling and histone modification play important roles in the establishment and dynamic regulation of gene expression states. However, little is known regarding to the regulatory mechanism of chromatin modification and remodeling that control gene expression involved in plant development and responses to environmental cues. My thesis work concerns functional analysis of an Arabidopsis Chromodomain/Helicase/DNA-binding 1 (CHD1) type chromatin remodeling gene known as CHR5 and a histone demethylase gene that specifically removes methyl groups from methylated histone H3 lysine 4 (H3K4me), called JMJ15 in regulating chromatin structure or in resetting chromatin modifications that control the expression of plant developmental and stress responsive genes. In the first part of the study we found that CHR5 expression is activated during embryogenesis and remained to be expressed in developing organs/tissues. Analysis of mutants revealed that loss-of-function of the genes led to decreased expression of key embryo maturation genes LEC1, ABI3 and FUS3 in developing seeds and reduced seed storage protein accumulation. Analysis of double mutants revealed an antagonistic function between CHR5 and PKL, a CHD3 gene, in embryo gene promoter activity and seed storage protein accumulation. CHR5 was directly associated with the promoters of ABI3 and FUS3 and chr5 mutations led to increased nucleosome occupancy near the transcriptional start site. The results suggest that CHR5 is involved in nucleosome occupancy to regulate embryo identity genes expression, which is counterbalanced by PKL during embryo development. The second part of this study showed that expression of JMJ15 was restricted to a few tissues during vegetative growth. The jmj15 gain-of-function mutations reduced the length of seedling hypocotyls and inflorescence stems with higher accumulation of lignin in the stem, while the loss-of-function mutants did not show any visible phenotype. The gain-of-function mutants enhanced salt tolerance, whereas the loss-of-function mutants were more sensitive to salt. Transcriptomic analysis revealed a much higher number of genes down-regulated in JMJ15 over-expression plants, which are highly enriched for H3K4me3 and H3K4me2. Among the down-regulated genes, many encode transcription regulators of stress responsive genes. The data suggest that increased JMJ15 levels may regulate the gene expression program that may coordinate plant growth restrains and enhances stress tolerance. Taken together, my thesis work brought a few new elements to the current understanding of chromatin regulators function in plant gene expression.

Chez l'homme, l'épissage alternatif (EA) affecte presque tous les gènes permettant de générer de vastes répertoires d'ARN et de protéines. L'épissage est un processus hautement régulé qui s'effectue principalement lorsque l'ARN est en cours de synthèse sur la chromatine. Beaucoup d'études suggèrent que la chromatine et ses marques épigénétiques influencent les décisions d'épissage au locus correspondant. A l'inverse, d'autres données laissent penser que l'épissage peut moduler les marques épigénétiques. Au cours de ma thèse, j'ai étudié différentes voies de couplage entre l'épissage et la chromatine. D'une part, j'ai exploré l'impact de la méthylation de l'ADN sur la régulation de l'épissage. J'ai montré que les enzymes qui méthylent l'ADN ont un effet global sur l'épissage d'exons enrichis en méthylation. Mes données suggèrent que les protéines qui lient la méthylation de l'ADN sont impliquées dans cette régulation. D'autre part, j'ai exploré les conséquences de l'EA sur la régulation de la chromatine en étudiant son impact de deux histones-methyltransferases (HMTase) : G9A et SUV39H2 dont les gènes génèrent des transcrits alternatifs. Tous les transcrits variants codent pour des protéines. La conservation des variants d'épissage de G9A dans des espèces et l'absence de différences dans leur activité HMTase, nous amènent à proposer que l'EA est associé à une fonction non liée aux histones. A l'inverse, les isoformes de SUV39H2 exhibent des activités HMTases différentes et régulent l'expression de gènes cibles différents. Ensemble, nos résultats apportent de nouvelles connexions dans le couplage épissage-chromatine et supporte un modèle où ces derniers s'auto-influencent. / In humans, alternative splicing affects almost all genes in the genome and generates extensive repertoires of RNAs and proteins. Splicing is a highly regulated process which occurs primarily when the RNA is being synthesized on chromatin. Many studies suggest that chromatin and epigenetic marks influence splicing choices to the corresponding locus. Conversely, other data suggest that splicing can modulate epigenetic marks. During my thesis, I studied different ways of crosstalk between splicing and chromatin. First, I investigated the effect of DNA methylation on splicing regulation. I have shown that the enzymes that methylate DNA have an overall effect on the splicing of exons with enriched methylation. My data suggest that proteins which bind to methylated DNA are involved in this regulation. On the other hand, I explored the impact of alternative splicing on chromatin regulation studying its impact on the expression and activity of both histone methyltransferases (HMTase): SUV39H2 and G9A. G9A and SUV39H2 generate variants transcripts whose expression is regulated according to tissues. All variants transcripts encode proteins. Conservation of G9A splice variants in species and no differences in their HMTase activity, lead us to propose that G9A alternative splicing is associated with a non-histone function. Conversely, SUV39H2 isoforms exhibit different HMTases activities, and regulate the expression of different target genes. All our results provide new connections in chromatin - splicing coupling and support a model in which they harbor self-influence.

L’épissage, une étape majeure de l’expression des gènes, consiste en l’élimination des introns et la production de transcrits matures ou ARNm. La régulation ou des perturbations de l’épissage sont impliquées dans de nombreuses situations physiopathologiques. Dans ce travail, j’ai utilisé et analysé par des approches de bio-informatiques un grand nombre de données générées à large échelle afin de mieux définir les règles gouvernant la reconnaissance des exons au cours de l’épissage. Je montre que les mécanismes de reconnaissance des exons dépendent du biais de la composition nucléotidique des gènes qui les hébergent. Ainsi, la reconnaissance des exons hébergés par des gènes enrichis en guanine et cytosine dépend essentiellement de leur site 5’ d’épissage qui peut être masqué par des structures secondaires. La reconnaissance des exons hébergés par des gènes enrichis en thymine et adénine dépend essentiellement des signaux d’épissage situés en amont des exons. Je montre également que l’organisation chromatinienne est différente selon les biais de composition nucléotidique des gènes et que cela a un impact spécifique sur la reconnaissance des exons. De nombreuses études démontrent que les gènes ne sont pas organisés de façon aléatoire dans un génome et que l’architecture des gènes et des chromosomes dépend de leur composition nucléotidique. Par conséquent, mes travaux suggèrent qu’il existe un lien direct entre composition nucléotidique d’une région du génome, architecture de la chromatine et sélection des exons au cours de l’épissage. / Splicing, a major step in gene expression, consists in the removal of the introns and the production of mature transcripts or mRNA. The regulation of or the disturbances in splicing are involved in numerous physiopathological situations. In this work, I used and analysed with bio-informatic approaches a lot of genome-wide datasets in order to define better the rules governing exon recognition during the splicing step. I show in this work that the mechanisms of exon recognition depend on the nucleotidic composition bias of the genes which host these exons. Thus, the recognition of the exons located in genes enriched with guanine and cytosine essentially depends on their 5' splicing site, which can be hidden by secondary structures. The recognition of the exons located in genes enriched with thymine and adenine essentially depends on splicing signals placed upstream the exons. Moreover, I show that the chromatin organization varies according to the nucleotidic composition bias in the genes, and that it has a particular impact on exon recognition. A lot of studies have shown that the genes are not randomly organized in a genome and that the architecture of the genes and of the chromosomes depends on their nucleotidic composition. Put together, my work suggests that it exists an direct link between the nucleotidic composition of a genomic region, the chromatin architecture and the recognition of the exons during the splicing step.

L'antigène de prolifération cellulaire Ki-67 est exprimé de manière constitutive dans les cellules de mammifères. Ki-67 est régulièrement utilisé en tant que marqueur de prolifération cellulaire pour classer les tumeurs. Cependant, malgré son utilisation fréquente en histopathologie, ses fonctions sont encore mal caractérisées. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif d'améliorer la compréhension des fonctions biologiques de Ki-67 ainsi que d’étudier l’importance de son expression dans l’initiation et la progression des cancers. Nous avons montré que Ki-67 était dispensable à la prolifération cellulaire. Quant aux souris mutantes Ki-67, elles ne présentaient aucune anomalie de développement, étaient fertiles et vieillissaient normalement. Néanmoins, l’expression de Ki-67 s’est révélée être requise pour l’organisation de l'hétérochromatine dans les cellules prolifératives. En étudiant le contrôle de l'expression de Ki-67, nous avons pu mettre en évidence que les différents niveaux d’expression de Ki-67, souvent observés dans les lignées cellulaires transformées ou non, les tissus et les échantillons de tumeurs des patients, seraient expliqués par une régulation via la machinerie du cycle cellulaire.En utilisant nos souris mutantes Ki-67, nous avons également montré que l’absence de Ki-67 permettait de protéger les souris contre la carcinogenèse intestinale dans les deux différents modèles expérimentaux utilisés. De plus, l'analyse de la conséquence de l'ablation de Ki-67 dans la lignée tumorale murine, 4T1, a révélé que Ki-67 est requis pour le maintien des propriétés souches de ces cellules cancéreuses. En outre, la déplétion de Ki-67 a fortement affecté la croissance des tumeurs et la formation de métastases pulmonaires chez les souris. De façon similaire, l'absence de Ki-67 a fortement altéré le développement des xénogreffes de la lignée MDA-MB-231 dans des souris immuno-déficientes. De plus, le séquençage de l'ARN dans les cellules 4T1 a révélé l’existence d’altérations importantes au niveau transcriptomique, suite à la déplétion de Ki-67.L’ensemble de ces résultats suggère une implication spécifique de Ki-67 dans l'initiation et la progression tumorale et que Ki-67 serait une cible thérapeutique potentielle et intéressante dans le traitement du cancer. / The cell proliferation antigen Ki-67 is constitutively expressed in cycling mammalian cells and is widely used as a cell proliferation marker to grade tumours. Despite its use in cancer histo-pathology its functions are poorly understood. The aim of this project is to improve understanding of Ki-67 functions and its requirements in cancer initiation and progression. We found that Ki-67 is dispensable for cell proliferation and Ki-67 mutant mice did not exhibit any developmental abnormalities, and were fertile and aged well. Although Ki-67 was uncoupled from cell proliferation, Ki-67 was found to promote heterochromatin organization in proliferating cells. Studying Ki-67 expression control, we have found that cell cycle regulation accounts for Ki-67 variability levels in normal human cells, proliferating tissues in mice, human cancer cell lines and caner patients.Using our Ki-67 mutant mice, we found that Ki-67 depletion can protect mice from intestinal carcinogenesis in two different experimental models used. Moreover, analysis of the consequence of Ki-67 ablation in the mouse breast cancer cell line, 4T1 has revealed its requirements for the maintenance of the stem-like proprieties of these cancer cells. More importantly, Ki-67 depletion strongly affects 4T1 tumour growth and formation of lung metastases in vivo. Similarly, Ki-67 absence strongly impaired the development of the TNBC-derived MDA-MB-231 xenografts in vivo. Moreover, comparison of Ki-67 dependent alterations in gene expression in 4T1 cells by RNA sequencing revealed widespread transcriptome changes following Ki-67 depletion. Together, these results suggest a specific involvement of Ki-67 in cancer initiation and progression and may constitute a potential therapeutic target in cancer therapy.

La différenciation cellulaire implique une régulation transcriptionnelle coordonnée et finement contrôlée qui passe par le recrutement de facteurs de transcription (FT) cellules-spécifiques sur des régions génomiques régulatrices appelées enhancers. Parmi ces FT, des protéines nommées « facteurs pionniers » (FP) lient la chromatine condensée et favorisent la transition des enhancers d’un état inactif vers un état « préparé » (étape de « priming »), facilitant ainsi la fixation d’autres FT et permettant l’activation de ces régions. L’engagement vers un lignage cellulaire particulier est donc associé à l’engagement des FP au niveau d’enhancers dont la structure chromatinienne subit des changements architecturaux associés à la mise en place de marques spécifiques. Celles-ci incluent, la monométhylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me1), l’acétylation de la lysine 27 de l’histone H3 (H3K27ac) ou encore des modifications des résidus cytosine (5-méthylcytosine, 5mC ; 5-hydroxyméthylcytosine, 5hmC). La 5hmC est un intermédiaire de la voie de déméthylation active : elle résulte de l’oxydation de la 5mC par les enzymes « Ten Elven Translocation » (TET) et peut être à son tour oxydée en 5-formylcytosine (5fC) et 5-carboxylcytosine (5caC) qui sont ensuite remplacées par des cytosines via l’intervention du système « Base Excision Repair ». Cependant, du fait de sa stabilité et de sa capacité à lier des protéines particulières, la 5hmC pourrait également jouer un rôle spécifique. De précédents travaux ont d’ores et déjà mis en évidence un lien entre le recrutement des FP et les modifications des cytosines. Néanmoins, l’implication des processus de méthylation/déméthylation dans la régulation spatio-temporelle des étapes de « priming » et d’activation des enhancers n’a pas encore été caractérisée. Dans ce contexte, l’objectif de cette étude à été de définir le rôle des modifications de cytosines (5mC et 5hmC) lors de l’activation des enhancers liés par des FP. Pour ceci, nous avons analysé d’une part, l’implication des processus de méthylation et déméthylation des cytosines sur le « priming » et l’activation des enhancers, en utilisant des inhibiteurs des ADN méthyltransférases ou des enzymes TET. D’autre part, nous avons entrepris d’identifier les dynamiques de « priming » et d’activation des enhancers à l’échelle du génome au cours de la différenciation neurale, en lien avec la présence de la 5hmC. Les résultats obtenus nous ont notamment permis de proposer un schéma d’activation des enhancers dans lequel les dynamiques de méthylation/déméthylation de l'ADN jouent un rôle essentiel dans la structuration de la chromatine. / Cell differentiation relies on a coordinated and finely regulated transcriptional regulation involving the recruitment of cell-type transcription factors (TFs) on genomic regions called enhancers. Some of these TFs, named pioneer factors (PFs), are able to bind to condensed chromatin and favour enhancer transition from an inactive to a primed state, thus facilitating the binding of other TFs and enhancer activation. Therefore, lineage commitment is associated to the engagement of PFs at enhancers where the chromatin structure undergoes architectural modifications related to the set up of specific marks. These include, the monomethylation of the lysine 4 of the histone H3 (H3K4me1), the acetylation of the lysine 27 of the histone H3 (H3K27ac) or cytosine modifications (5-methylcytosine, 5mC; 5-hydroxymethylcytosine, 5hmC). The 5hmC base is an intermediate in the process of active demethylation coming from the oxidation of the 5mC by the Ten Elven Translocation (TET) enzymes and can itself be further oxidized in 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC), two bases which are then replaced by cytosines through the Base Excision Repair mechanism. Nevertheless, due to its stability and its ability to bind some specific proteins, 5hmC might also play specific roles. Previous works already highlighted a link between the recruitment of PFs and cytosine modifications. However, the involvement of the methylation/demethylation processes in the spatio-temporal regulation of the priming and activation of enhancers has not yet been characterized. In this context, the aim of this study was to define the role of cytosine modifications (5mC and 5hmC) during the activation of enhancers bound by PFs. For this, we analyzed the implication of cytosine methylation and demethylation processes on enhancer priming and activation by using DNA methyltransferases or TET inhibitors. In addition, we identified the dynamics of enhancer priming and activation genome-wide during neural differentiation, in relation to the presence of 5hmC. The results allow us to propose a scheme of enhancer activation in which DNA methylation/demethylation dynamics play an essential role in the chromatin structure of these regulatory elements.