Dans le noyau de nos cellules l’ADN est enroulé autour de petites protéines que l’on appelle les histones et forme ainsi ce que l’on nomme la chromatine. L’activation des gènes permet la production de protéines qui sont nécessaires au bon fonctionnement des différentes cellules de notre organisme. Notre corps est composé de différentes cellules dont l’identité est définie par un patron de gènes actifs et inactifs bien spécifique. Au cours de la mitose (division des cellules) il est crucial que les cellules conservent leur identité, faute de quoi des structures non adaptées peuvent apparaître et dans certains cas conduire à l’apparition de cancers. Les protéines du groupe Polycomb (PcG) constituent un important système de mémoire cellulaire qui permet de maintenir un gène inactif au cours du développement d’un organisme. Ces protéines sont ciblées sur des gènes spécifiques où elles modifient la nature chimique des histones, rendant la chromatine compacte, difficile d’accès et donc empêchant l’activation de ces gènes. Lors de la mitose, la chromatine va se compacter drastiquement pour faciliter la ségrégation des chromosomes. Les mécanismes par lesquels les protéines du PcG s’adaptent à cette restructuration massive du génome ne sont pas connus. Mon projet est d’étudier le comportement des protéines du PcG au niveau de la chromatine à travers la mitose et ainsi de comprendre comment est préservée l’identité des cellules. Historiquement, les protéines du PcG ont été découvertes chez la drosophile et leurs mutations entrainent des anomalies au niveau du plan corporel. Ces protéines existent également chez l’homme et jouent un rôle essentiel dans le contrôle du développement. Ainsi mes travaux effectués chez la drosophile pourront être repris pour l’étude de ces protéines chez l’homme. Par l’utilisation de techniques de microscopie à fluorescence, il est possible de détecter la fixation des protéines du PcG au niveau de la chromatine au cours de la mitose. Il a été observé que durant la mitose l’une des protéines du PcG est dissociée de la chromatine alors que deux autres protéines de ce groupe sont quant à elles maintenues. L’ancrage des protéines du PcG à la chromatine se fait par le dépôt d’une modification chimique spécifique sur une histone, la triméthylation de la lysine 27 de l’histone 3 (H3K27me3). Pendant la mitose le résidu adjacent, la serine 28, va être phosphorylé (H3S28ph), et cette seconde modification perturbe la fixation des protéines du PcG. Pour mieux comprendre comment ces deux modifications (H3K27me3 et H3S28ph) définissent la fixation des protéines du PcG le long du chromosome lors de la mitose, j’analyserai la distribution de ces protéines le long du génome dans des cellules en mitose. D’autre part, j’étudierai les défauts développementaux provoques par l’absence de ces deux modifications chimiques à partir de drosophiles mutantes. La dérégulation des protéines du PcG entraine des défauts développementaux et est à l’origine de nombreux cancers chez l’homme. Des avancées dans le domaine pharmacologique ont permis d’élaborer des inhibiteurs de certaines des protéines du PcG qui pourraient constituer de nouvelles thérapies anti-cancer. Il est donc important de comprendre parfaitement les mécanismes d’actions de ces protéines, tout particulièrement au cours de processus biologiques cruciaux tel que la mitose. / Polycomb group (PcG) proteins maintain repression on key developmental genes to preserve cell fates. It is unknown on how PcG-mediated repressive chromatin is inherited across cell cycles. This project aims to study the chromatin-binding profile of PcG proteins and their cognate histone mark (H3K27me3) in mitosis. We observed that Polycomb (Pc) were dissociated from chromosomes during mitosis and reassociation begins from late anaphase onwards. In contrary, Ph, PSC and high level of H3K27me3 were detected on mitotic chromosomes. Importantly, drug-inhibition of Aurora B and hence depletion of H3S28ph retained Pc on mitotic chromosomes. To further understand how mitotic H3S28ph affects PcG proteins binding profile, a FACS-sorting protocol was optimized to isolate mitotic cells for ChIP-seq analyses. In parallel, Drosophila model of histone mutants (H3K27R and H3S28A) were established to assess the importance of these modifications on PcG-mediated epigenetics inheritance across mitoses.

Dans les cellules eucaryotes l’organisation de l’ADN en chromatine n’assure pas seulement la compaction de l’ADN dans le noyau mais sert aussi de structure dynamique qui permet la régulation des processus pour lesquels l’ADN est une matrice comme la transcription, la réplication et la réparation de l’ADN. L’unité de base de la chromatine est le nucléosome qui est constitué de 147pb d’ADN qui s’enroule autour d’un octamère d’histones. Le nucléosome possède une structure flexible régulée par les modifications post-traductionnelles d’histones. Les modifications d’histones contribuent à la régulation des fonctions du génome en modérant directement la structure de la chromatine ou bien via le recrutement de protéines spécifiques liant la chromatine. La lysine 20 de l’histone H4 (H4K20) peut être modifiée pour générer 3 niveaux de méthylation : mono- (me1), di- (me2), et tri-méthylation (me3), chaque niveau de méthylation est associé à des fonctions spécifiques. PR-Set7 (aussi appelée Set8, Setd8 ou KMT5A) est l’unique enzyme connue pour catalyser la mono-méthylation H4K20 alors que les niveaux de di- et tri-méthylation sont le résultat de l’activité des enzymes Suv4-20h qui requièrent la mono-méthylation H4K20 induite par PR-Set7 comme substrat. Ces enzymes sont essentielles puisque des études de Knock-Out ont montré que PR-Set7 et les Suv4-20h sont requises pour le développement de la souris et que leur perte dans des modèles cellulaires entraine des dommages ADN et des défauts de cycle cellulaire. Toutefois, les fonctions des différents niveaux de méthylation et des enzymes associées restent peu claires. Le travail réalisé pendant cette thèse a révélé que l’action concertée des enzymes PR-Set7 et Suv4-20h est requise pour le contrôle (i) de l’assemblage de l’hétérochromatine sur l’ADN naissant, (ii) de la liaison du pre-RC sur un groupe d’origines de réplication tardives nécessaires pour la réplication de régions d’hétérochromatine dans le cycle cellulaire suivant. Les deux fonctions dépendent de la conversion de la mono-méthylation H4K20 en tri-méthylation H4K20 et du recrutement spécifique de la protéine liant la méthylation H4K20 ORCA/LRWD1. Ainsi, la déplétion de PR-Set7 par siRNA entraine des défauts de compaction de la chromatine en interphase des cellules qui sortent de mitose, ce qui favorise la fixation non spécifique des sous-unités MCMs et ORCs des complexes pre-RC. Finalement et étant donné le rôle clé de la méthylation H4K20 dans la formation de l’hétérochromatine et la réplication, mon travail de thèse a contribué à révéler que la surexpression de PR-Set7 est un facteur de mauvais pronostic dans le myélome multiple et que l’inhibition de cette enzyme par des composés chimiques pourrait dans le futur avoir un grand intérêt pour le traitement du cancer. / In eukaryotic cells, the organization of DNA into chromatin not only ensures its compaction into nucleus, but also serves as a dynamic structure that offers a range of possibilities for regulating DNA transactions, such as transcription, DNA replication and repair. The basic unit of chromatin is the nucleosome, which is constituted of 147 bp of DNA wrapped with an octamer composed of histone proteins. This nucleosome structure is versatile showing distinct variations, including post-translational modifications of histone proteins. Histone modifications contribute to the regulation of genome functions by altering directly the nucleosome structure or through the recruitment of specific chromatin-binding proteins. In this regard, the lysine 20 of histone H4 (H4K20) can be modified to generate three different methylation states: mono- (me1), di- (me2), and trimethylation (me3), with a unique activity being coupled to the specific extent of methylation on this lysine residue. PR-Set7 (also known as SET8 or SETD8) is the sole enzyme that catalyzes H4K20me1, whereas H4K20me2 and H4K20me3 occur through the action of Suv4-20h, which requires PR-Set7-induced H4K20me1 as a substrate. These enzymes are essential since knockout studies have shown that both PR-Set7 and Suv4-20h are required for mouse development and their loss causes DNA damage and cell cycle defects. However, the functions of different H4K20 methylation states and the associated enzymes still remain poorly understood.The work carried out during this thesis reveals that the concerted activity of PR-Set7 and Suv4-20h is required for the timely control of (i) heterochromatin assembly on nascent DNA and (ii) the licensing of a critical subset of late-firing origins necessary for the replication of heterochromatin regions in the following cell cycle. Both functions depend on the conversion of H4K20me1 to H4K20me3 and the specific recruitment of the H4K20me-binding protein LRWD1/ORCA. Accordingly, siRNA-mediated PR-Set7 depletion triggers a defective interphase chromatin compaction in cells that exit of mitosis, which in turn favor a non-specific chromatin loading of ORC and MCMs subunits of pre-replication complexes. Finally and consistent with a key role of H4K20 methylation in heterochromatin formation and replication, my thesis work contributes to reveal that up-regulation of PR-Set7 is a poor prognosis factor in multiple myeloma and that its inhibition by specific chemical compounds might be a great interest for cancer treatment in near future.

Deux processus majeures de la vie cellulaire, la transcription et la réplication, nécessitent l'ouverture de la double hélice d'ADN et agissent différemment sur les deux brins, ce qui génère des taux de mutation différents (asymétrie de mutation), et aboutit à des compositions en nucléotides différentes des deux brins (asymétrie de composition). Nous nous proposons de modéliser le programme spatio-temporel de réplication et son impact sur l'évolution des séquences d'ADN. Dans le génome humain, nous montrons que les asymétries de composition et de mutation peuvent être décomposées en deux contributions, l'une associée à la transcription et l'autre à la réplication. Celle associée à la réplication est proportionnelle à la polarité des fourches de réplication, elle-même proportionnelle à la dérivée du “timing” de réplication. La polarité des fourches de réplication délimite, le long des chromosomes humains, des domaines de réplication longs de plusieurs Mpb où le “timing” de réplication a une forme de U. Ces domaines de réplication sont également observés dans la lignée germinale, où ils sont révélés par une asymétrie de composition en forme de N, indiquant la conservation de ce programme de réplication sur plusieurs centaines de millions d'années. Les bords de ces domaines de réplication sont constituées d'euchromatine, permissive à la transcription et à l'initiation de la réplication. L'analyse de données d'interaction à longue portée de la chromatine suggère que ces domaines correspondent à des unités structurelles de la chromatine, au coeur d'une organisation hautement parallélisée de la réplication dans le génome humain. / Two key cellular processes, namely transcription and replication, require the opening of the DNA double helix and act differently on the two DNA strands, generating different mutational patterns (mutational asymmetry) that may result, after long evolutionary time, in different nucleotide compositions on the two DNA strands (compositional asymmetry). Here, we propose to model the spatio-temporal program of DNA replication and its impact on the DNA sequence evolution. The mutational and compositional asymmetries observed in the human genome are shown to decompose into transcription- and replication-associated components. The replication-associated asymmetry is related to the replication fork polarity, which is also shown to be proportional to the derivative of the mean replication timing. The large-scale variation of the replication fork polarity delineate Mbp scale replication domains where the replication timing is shaped as a U. Such replication domains are also observed in the germline, where they are revealed by a N-shaped compositional asymmetry, which indicates the conservation of this replication program over several hundred million years. The replication domains borders are enriched in open chromatin markers, and correspond to regions permissive to transcription and replication initiation. The analysis of chromatin interaction data suggests that these replication domains correspond to self-interacting chromatin structural units, at the heart of a highly parallelized organization of the replication program in the human genome.

Dans le noyau des cellules eucaryotes, l’ADN s’enroule autour d’histones pour former des nucléosomes, lesquels s’arrangent à leur tour en une fibre compacte et dynamique appelée chromatine. Les propriétés physiques de cette fibre aux différentes échelles, depuis la double-hélice de l’ADN jusqu’aux chromosomes micrométriques, sont essentielles aux mécanismes complexes de l’expression des gènes et sa régulation. La présente thèse est une contribution audéveloppement de modèles physiques capables de relier les différentes échelles, et d’interpréter et d’intégrer des données provenant d’une large gamme d’approches expérimentales et numériques. En premier lieu, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire d’oligomères d’ADN pour étudier l’ADN double-hélical à différentes températures. Nous estimons la contribution séquence-dépendante de l’entropie à l’élasticité de l’ADN, en lien avec des expériencesrécentes sur la longueur de persistence de l’ADN. En second lieu, nous modélisons les interactions ADN-histones au sein du Nucleosome Core Particle. Nous utilisons la nanomécanique de l’ADN afin d’extraire un champ de force d’un ensemble de structures cristallographiques du nucléosome et de données de dynamique moléculaire. En troisième lieu, nous étudions la partie plus molle du nucléosome, l’ADN linker entre les core particles, qui s’associe transitoirement à l’histone H1 pour former un “stem”. Nous combinons des informations structurales existantes avec des données expérimentales à deux résolutions différentes (DNA footprinting et électro-microscopie) afin de développer un modèle de stem à l’échelle nanométrique. / In the nucleus of eukaryotic cells, DNA wraps around histone proteins to form nucleosomes, which in turn associate in a compact and dynamic fiber called chromatin. The physical properties of this fiber at different lengthscales, from the DNA double-helix to micrometer-sized chromosomes, are essential to the complex mechanisms of gene expression and its regulation. The present thesis is a contribution to the development of physical models, which are able to link different scales and to interpret and integrate data from a wide range of experimental and computational approaches. In the first part, we use Molecular Dynamics simulations of DNA oligomers to study doublehelical DNA at different temperatures. We estimate the sequence-dependent contribution of entropy to DNA elasticity, in relation with recent experiments on DNA persistence length. In the second part, we model the DNA-histone interactions within the nucleosome core particle,using DNA nanomechanics to extract a force field from a set of crystallographic nucleosome structures and Molecular Dynamics snapshots. In the third part, we consider the softer part of the nucleosome, the linker DNA between coreparticles which transiently associates with the histone H1 to form a “stem”.We combine existing structural knowledge with experimental data at two different resolutions (DNA footprints and electro-micrographs) to develop a nanoscale model of the stem.

La présence de domaines chromosomiques heterochromatiniens associé à des effets de position est une propriété communes à de nombreux génomes eukaryotes. L'intensité et l'étendue de la variégation liée aux effets de position sont généralement sensibles à la dose des protéines effectrices de l'hétérochromatine. Les propriétés d'auto-propagation des complexes d'hétérochromatine a un cout, qui est la nécessité d'établir des mécanismes stoppant la propagation de la répression transcriptionelle. Cette thèse explore la dose-dépendance de l'effet de position télomérique en étudiant le complexe SIR de la levure du boulanger. La caractérisation du groupement des télomères en foyers, de la localisation de Sir3 et de la transcription dans des souches sur-exprimant Sir3 a permis d'établir l'étendue maximale des domaines silencieux présent aux subtelomeres. L'étude de jeux de données publiés a révélé que ces domaines terminent généralement au niveau de zones correspondant où les propriétés de la chromatine montrent une transition importante. Ces transitions chromatiniennes sont requises pour survivre en présence d'un excès de protéines Sir3 puisque nous avons démontré que les mutants dot1 ne survivent pas un tel excès. En outre nous avons conduit un crible génétique qui a révélé de nombreux gènes requis pour la survie en présence d'une surdose de Sir3. Ce travail caractérise la réponse du génome à une surdose d'hétérochromatine et a permis de révéler des domaines subtélomeriques associés à des propriétés chromatiniennes particulières. En conséquence nous démontrons comment l'effet de position télomerique est efficacement restreint au subtelomere chez la levure. / A shared property of several eukaryotic genomes is the presence of heterochromatic chromosomal domains experiencing transcriptional variegation. The intensity and the extent of position effect variegation are sensitive to the dosage of silencing effectors in many systems. The self-propagating properties of heterochromatin machineries come with a cost, which is the requirement for mechanisms preventing ectopic spreading of silencing. This thesis explores the dose-dependency of telomere position effect, using the budding yeast SIR system as a model for chromatin based heterochromatic silencing. To assess the dose-dependency of telomere position effect in budding yeast, we systematically characterized the impact of Sir3 overexpression by quantifying the clustering of telomeres, the genome wide binding of Sir3 and its impact on coding and non coding transcription. Analysis of published data sets enabled to uncover candidates potentially responsible for the limitation of subtelomeric silent domains. Our study reveals that extension of silent domains can reach saturation, associated with the anti-silencing properties of histone marks deposited by the conserved enzyme Dot1. In addition we discovered genes required for viability upon SIR3 overexpression by conducting a genetic screen. Our work describes the dynamics of the dose dependency of heterochromatin propagation in budding yeast. It uncovers previously uncharacterized discrete chromosomal domains associated with specific chromatin features and demonstrates how telomere position effect is efficiently restricted to subtelomeres by the preexisting chromatin landscape.

La dégradation sélective des protéines par un mécanisme ubiquitine et protéasome 26S dépendant est conservée chez tous les eucaryotes. Les E3 ubiquitine ligases sont les derniers acteurs de la cascade d’ubiquitinylation et sont responsables de la sélection spécifique des protéines cibles pour leur dégradation. Les enzymes E3 de type CRL4 forment des complexes multiprotéiques dont les récepteurs de substrats sont appelés DCAF pour DDB1-CUL4 Associated Factor. Les études réalisées chez les mammifères et les levures ont permis d’identifier une signature spécifique des DCAF : le motif WDxR à la fin d’un domaine WD40. L’analyse bioinformatique a montré l’existence de plus de 85 DCAF potentielles chez Arabidopsis thaliana. Parmi ces récepteurs, nous nous sommes intéressés à une famille multigénique appelée MSI (Multicopy Suppressor of IRA1). Des études précédentes ont permis de montrer que MSI1 et MSI4 participaient chacune à un complexe CRL4 différent capable d’interagir fonctionnellement avec un complexe PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) pour moduler une régulation épigénétique.Les résultats obtenus et décrits dans ce manuscrit mettent en évidence une interaction physique entre les protéines MSI (2 ou 3) et DDB1a suggérant l’existence d’un complexe multimérique incluant CUL4. L’interrogation des données publiques confrontées à nos données expérimentales, nous a permis d’établir que l’expression des deux gènes était régulée de manière cycle cellulaire dépendante. De plus, un mutant perte de fonction msi3 présente un phénotype de retard de croissance suggérant une fonction de contrôle du cycle cellulaire. D’autre part, leur capacité d’interagir avec des régulateurs chromatiniens permet d’envisager une régulation par voie épigénétique. Toutefois, le rôle exact de ces protéines reste à déterminer. / Selective protein degradation by the UPS (Ubiquitin Proteasome System) is highly conserved in all eukaryotes. The E3 ubiquitin ligases are the last actors in the ubiquitylation pathway and target specifically the proteins for degradation. CRL4 E3 ligases form multiprotein complexes where the substrate receptors are called DCAFs for DDB1-CUL4 Associated Factor. Studies made in mammals and yeast allowed to highlight a characteristic signature for the DCAFs: the WDxR motif at the end of a WD40 domain. Bioinformatic studies could identify around 85 potential DCAFs in Arabidopsis thaliana. Among those receptors, we were interested in a small multigenic family called MSIs (Multicopy Suppressor of IRA1). Previous studies showed that MSI1 and MSI4 belong to different CRL4 complexes functionally connected to a PRC2 complex (Polycomb Repressive Complex 2). The results obtained and described in this manuscript highlight a physical interaction between MSI (2 or 3) and DDB1a suggesting the existence of a multimeric complex including CUL4. Furthermore, bioinformatic as well as experimental data, allowed us to establish that MSI2 and MSI3 gene expression are cell cycle regulated. Moreover, phenotypic analysis of an msi3 loss of function mutant showed a delayed growth implying a function as cell cycle regulator. On the other hand, the ability of MSI3 to interact with chromatin regulators points to an epigenetic regulatory pathway. However, the exact function of these proteins remains to be determined.

Les protéines du groupe Polycomb sont des régulateurs épigénétiques impliqués dans divers processus développementaux et cellulaires. Le complexe Polycomb Répressif 1 (PRC1) est bien caractérisé chez les animaux, cependant sa composition et sa fonction restent énigmatiques dans les plantes. Sur base d'homologie de séquences trois homologues de la sous-unité de base BMI1 du complexe PRC1 animal ont été identifiés dans Arabidopsis: AtBMI1a, AtBMI1b et AtBMI1c. L'interaction de ces trois protéines avec les composantes PRC1 connues (i.e. AtRING1ab, et LHP1) a été démontrée. Des analyses génétiques et moléculaires ont permis d'attribuer aux protéines AtBMI1ab et AtRING1ab un rôle essentiel dans la répression des caractères embryonnaire lors de la croissance végétative. Un nouvel interactant d'AtRING1a, une protéine à domaine PHD de la famille AL (Alfine-Like) a été identifiée dans criblage d'une banque de ADNc. Par différentes techniques l'association entre les protéines de la famille AL et les membres de bases du complexe PRC1 (i.e. AtBMI1ab, AtRING1ab et LHP1) a été démontrée. Les protéines AL sont nucléaires et se lient in vitro à H3k4me3, une marque active de la chromatine. Des analyses génétiques ont révélé que les protéines AL et AtBMI1ab régulent la germination en réprimant l'expression de gènes impliqués dans le développement de la graine. Au niveau chromatinien, les protéines PRC1 interviennent dans la transition d'une chromatine active, marquée par du H3K4me3 vers une chromatine répressive enrichie en H3K27me3. Nous proposons que les protéines AL reconnaissent la marque active et recrutent la fonction répressive des protéines à domaine RING du complexe PRC1 afin d'induire la répression transcriptionelle. / Polycomb group (PcG) proteins are critical epigenetic repressors implicated in various developmental and cellular processes. While the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is evolutionary conserved and its functions extensively studied in Arabidopsis, the PRC1 complex composition and function remain still enigmatic in plants. Our work focuses on several Arabidopsis RING-domain proteins to unravel PRC1-like functions in the regulation of various processes during plant development. Based on sequence similarity we identified three homologues of the animal PRC1 core subunit BMI1: AtBMI1a, AtBMI1b and AtBMI1c. These proteins were found to interact with other PRC1-like components, AtRING1a, AtRING1b and LHP1. Genetic and molecular analyses demonstrated that AtBMI1a/b and AtRING1a/b play crucial roles in stable repression of embryonic traits to allow proper somatic growth. Comparative transcriptome analyses were performed to uncover genetic networks underlying seedling growth and the flower development defects of several different PRC1-like and PRC2 Arabidopsis mutants. Our data revealed overlapping and non-overlapping gene categories of misregulated genes in Atring1a/b, Atbmi1a/b and lhp1 mutants. The Atring1a/b mutant showed particular disturbed expression of flower developmental genes. Accordingly, phenotypic and molecular analyses of the mutant flowers confirmed that AtRING1a/b play a critical role in cell fate determination and in different aspects of flower development. To better understand the broad function of AtRING1a/b, we performed yeast two-hybrid screen and identified PHD-domain proteins of the ALFIN-LIKE (AL) family as binding partners. In vitro AL proteins bind the active mark for gene transcription, H3K4me3. By various methods, both in vitro and in planta, we provided strong evidence for the physical interaction between AL and PRC1 RING-domain proteins. We uncovered that al6/7 similar to Atbmi1a/b mutants exhibit seed germination defects, which are associated with the derepression of several seed related genes. Consistently on the corresponding chromatin a delay of the remodeling from active H3K4me3 labeled to a repressive H3K27me3 marked chromatin could be detected. We propose that through binding to H3K4me3 AL6/7 function as scaffold proteins to target PRC1 RING-domain proteins to active chromatin in order to establish gene silencing. Taken together, the presented work contributes significantly to the knowledge of PRC1 complex(es) in Arabidopsis at both biological function and complex composition levels. It opens several exciting perspectives for future research in the field.

Chaque division cellulaire requiert une duplication précise du génome. Des dizaines de milliers de sites d’initiation de la réplication d’ADN (origines de réplication) sont impliqués dans la réplication complète du génome humain. L’activation des origines de réplication est régulée précisément et des études génomiques extensives ont démontré la présence de caractéristiques génomiques associées à l’activation des origines de réplication. Le complexe de pré-réplication (pre-RC) est la base de l’initiation de la réplication et consiste en deux sous-complexes majeurs : l’ « origin recognition complex » (ORC) qui interagit directement avec l'ADN et est nécessaire pour recruter le second sous-complexe, les hélicases Mcm2 7, qui sont responsables de l'initiation de la réplication. La régulation de l’assemblage du pre-RC est bien étudiée, mais les caractéristiques de la chromatine qui déterminent le positionnement du pre-RC sur le génome restent peu connues. Les études génomiques par immuno-précipitation de la chromatine et séquençage à haut débit (ChIP-seq) des pre-RCs sont rares et jusqu’à aujourd’hui seulement disponibles pour ORC. Du fait que Mcm2-7 migre de son site de chargement initial, il est crucial d'obtenir des informations sur le positionnement des Mcm2-7 pour la compréhension complète de la régulation de la réplication. Ce travail présente la première analyse génomique par méthode ChIP-seq des deux sous-unités majeures du pre-RC, ORC et Mcm2-7, dans la lignée cellulaire de lymphome de Burkitt Raji infectée par le virus d’Epstein-Barr (EBV). La présence du génome d’EBV permet d'avoir un contrôle interne de la qualité de nos expériences, en comparant les positions de pre-RC déterminées avec des positions du pre-RC précédemment publiées. Sur le génome humain, les résultats de séquençage du pre-RC corrèlent bien avec des zones de réplication active. De façon intéressante, les zones de terminaison de la réplication étaient spécifiquement bas en pre-RC, spécialement en Mcm2-7. La localisation des sites d'initiation de la réplication identifiés est généralement bien corrélée avec les sites de transcription active. En effet, des sites d’assemblage du pre-RC de haute affinité sont localisés préférentiellement en voisinage de sites de transcription active, ce qui est possiblement dû à l’accessibilité de la chromatine dans ces régions. La fixation de Mcm2-7 fluctue de façon dépendante du cycle cellulaire, ce qui suggère des translocations de Mcm2 7 en G1, probablement dépendantes de la machinerie active de la transcription. Ces résultats indiquent que les positions de ORC et Mcm2-7 sont principalement dépendantes de l’accessibilité de la chromatine avec un accès privilégié dans la chromatine active et Mcm2 7 étant le déterminant majeur de l’initiation de la réplication. Au sein de l'hétérochromatine, ORC est enrichi dans des zones associées avec l'histone modifié H4K20me3. Cependant, cet enrichissement est moins important pour les Mcm2-7. En utilisant un système de réplication basé sur des plasmides, nous avons démontré que l’association d'ORC et H4K20me3 favorise l’assemblage du pre-RC et l’initiation de la réplication. Cette observation suggère que l’interaction ORC-chromatine est le déterminant majeur de la régulation de la réplication d’ADN au sein de l’hétérochromatine. En conclusion, cette étude propose deux mécanismes différents de la régulation de l'assemblage du pre-RC dépendants de l’environnement de la chromatine. / With every cell division, the genome needs to be faithfully duplicated. Tens of thousands of DNA replication initiation sites (origins of replication) are involved in replicating the human genome. Origin activation is precisely regulated and extensive genome-wide studies found association of origin activation to several different genomic features. The pre-replication complex (pre RC) is the basis for replication initiation and consists of two major subcomponents: the origin recognition complex (ORC) binds DNA and is required for loading of the second component, Mcm2-7 helicases, which initiate DNA replication. Regulation of pre-RC assembly is well studied, however, chromatin features driving pre RC positioning on the human genome remain largely unknown. Genome-wide pre-RC chromatin immunoprecipitation experiments followed by sequencing (ChIP-seq) studies are rare and so far only performed for ORC. As Mcm2-7 can translocate from their initial loading site, information about Mcm2-7 positioning are required for full understanding of DNA replication regulation.This work presents the first genome-wide ChIP-seq analysis of the two major pre-RC subcomponents ORC and Mcm2-7 in the Epstein-Barr virus (EBV) infected Burkitt’s lymphoma cell line Raji. Successful ChIPs were validated on the EBV genome by comparing obtained pre RC positions with already existing pre-RC ChIP-on chip data. On the human genome, pre-RC sequencing results nicely correlated with zones of active replication. Interestingly, zones of replication termination were specifically depleted from pre-RC components, especially from Mcm2 7. Active DNA replication is known to correlate with active transcription. Indeed, strong pre-RC assembly preferentially occurred at sites of active transcriptional regulation, presumably determined by chromatin accessibility. Strong Mcm2-7 binding thereby fluctuated cell cycle-dependently, arguing for Mcm2-7 translocations during G1, possibly depending on the active transcriptional machinery. These results indicate ORC and Mcm2-7 positions being mainly dependent on chromatin accessibility in active chromatin, with Mcm2-7 being the major determinant of replication initiation. In heterochromatin, ORC was enriched at H4K20me3 sites, while Mcm2-7 enrichment was less prominent. Employing a plasmid-based replication system, ORC association to H4K20me3 was proven to promote successful pre-RC assembly and replication initiation, situating direct ORC-chromatin interactions being the major determinant for DNA replication regulation in heterochromatin. Taken together, this study proposes two different modes of pre-RC assembly regulation depending on chromatin environment.

Abstract: By differentiating chromosomal ends from internal breaks, telomeres prevent DNA damage checkpoint activation and provide protection from inappropriate DNA repair activity that could create genomic instability. In Saccharomyces cerevisiae, a large number of genes have been identified that are implicated in telomerase and telomere structure and/or function. However, a comprehension of the mechanism of action of these genes and how they relate to other genes is lacking. The function of end protection is based on the telomeric repeats and associated proteins, but evidence is accumulating that the subtelomeric region also plays a role. This region contains binding sites for various proteins, notably Tbf1. TBF1 is an essential gene and the protein has been implicated in telomere homeostasis, chromatin remodelling, and the DNA damage response. My master’s project is based on the observation that cells harbouring a thermosensitive (tbf1-ts) allele have abnormally short telomeres. However, all four known mutant tbf1 alleles have multiple point mutations, which renders their analyses difficult. In order to be able to more precisely determine the origin of the phenotypic variations, we used site-directed mutagenesis to create single point mutation tbf1 alleles. These experiments yielded two particular mutations, tbf1-82 and tbf1-453, which were found to have growth defects at various temperatures as well as increased sensitivity to DNA damaging drugs. Although the alleles had only minor telomere length phenotypes, it was discovered that Tbf1 could have a direct role in telomere stability in special situations. For example, in the absence of telomerase, which normally maintains telomeres, cells enter replicative senescence after about 60 population doublings and stop dividing. A small subset of the cellular population is able to evade this growth arrest by maintaining telomeres via a recombination-dependent process. An introduction of the tbf1-82 or tbf1-453 mutation into strains that also lacked telomerase caused a dramatic advance in time of onset of senescence. Thus this work uncovered that Tbf1 is a previously unknown regulator of senescence. Various genetic assays with homologous recombination genes and chromatin regulators were performed to help further characterize TBF1 and its interactors. Characterization of these novel tbf1 alleles has given new insights into the multiple roles of Tbf1. / En différenciant les extrémités chromosomiques des cassures d’ADN internes, les télomères empêchent l'activation de la signalisation d’un dommage à l'ADN et fournissent une protection contre des activités inappropriées qui sont associées à une réparation de l'ADN. Une telle réparation pourrait en fait créer une instabilité génomique. Chez Saccharomyces cerevisiae, un nombre de protéines sont impliquées dans la structure du télomère et / ou la fonction de la élomérase. On pense que la protection des télomères est gérée par les répétitions télomériques et les protéines associées, mais il y a de plus en plus d’indices que la région sous-télomérique joue également un rôle. Cette région contient des sites de liaison pour plusieures protéines, notamment pour Tbf1. TBF1 est un gène essentiel et la protéine est impliquée dans l'homéostasie des télomères et dans la réponse aux dommages de l’ADN. Toutefois, les mécanismes moléculaires restent à être précisés. Mon projet de Maîtrise est basé sur l’observation que dans les cellules qui ont un allèle thermosensible (tbf1-ts), les télomères sont anormalement courts. Malheureusement, les 4 allèles mutants de tbf1 connus présentent tous des mutations ponctuelles multiples ce qui rend leur analyse difficile. Pour clarifier l'origine des variations phénotypiques de ces mutations, la mutagenèse dirigée a été utilisée pour créer des allèles tbf1 avec une seule mutation. Mes résultats montrent que deux mutations spécifiques, tbf1-82 et tbf1-453, causent des défauts de croissance cellulaires, ainsi qu'une sensibilité aux drogues qui endommageant l'ADN. Une analyse détaillée de ces nouveaux allèles de tbf1 a montré que la protéine pourrait avoir un rôle direct dans le maintien de la stabilité des télomères. Par exemple, en absence de la télomérase qui est responsable du maintien des télomères, les cellules entrent en sénescence réplicative après environ 60 générations et arrêtent de se diviser. Par contre, une petite fraction de la population est capable de contourner cet arrêt de croissance car ces cellules maintiennent les télomères par un processus dépendant de la recombinaison homologue. L'introduction de mutations tbf1 dans des souches sans télomérase provoque une accélération d’entrée en sénescence; donc Tbf1 est un régulateur précédemment inconnu de la sénescence. Divers tests génétiques avec des gènes de recombinaison homologue et des régulateurs de chromatine ont été effectués pour aider à caractériser TBF1 et ses interactions. La caractérisation de ces nouveaux allèles a permis de mieux comprendre les multiples rôles de Tbf1.

L’organisation de l’ADN sous forme de chromatine joue un rôle crucial dans la régulation de l’identité cellulaire. De par son rôle clé dans l’assemblage de la chromatine couplé à la synthèse d’ADN, le chaperon d’histone CAF-1 apparaît comme un acteur potentiel dans la transmission de l’information portée par la chromatine au cours des générations cellulaires. Bien que CAF-1 soit essentiel pour la survie au stade larvaire chez la Drosophile, les outils génétiques disponibles chez cet organisme permettent d’analyser sa fonction dans des types cellulaires ciblés. Mon travail montre que la grande sous-unité de CAF-1 (P180) est essentielle pour le maintien de la lignée germinale femelle. L’arrêt précoce de l’ovogénèse induit par la perte de P180 dans les cellules germinales a pu être attribué à l’activation de checkpoints, vraisemblablement en réponse à une accumulation d’ADN simple-brin liée à des défauts de réplication. De façon remarquable, les cellules souches germinales (GSCs) traversent une « crise identitaire » en absence de P180 : elles présentent des caractéristiques de cellules en cours de différenciation, dont une abscission incomplète, tout en conservant des propriétés spécifiques aux GSCs. En revanche, mon analyse n’a pas révélé de défaut d’identité des neuroblastes, une autre population de cellules souches, qui continuent de se diviser de façon asymétrique sans P180. De même, les cellules des disques imaginaux se divisant de façon symétrique prolifèrent en absence de P180, bien que plus lentement. Des analyses complémentaires permettront de déterminer si des mécanismes alternatifs d’assemblage de la chromatine compensent la perte de CAF-1 dans ces cellules. / The organization of DNA into chromatin is dynamic and plays important roles in the establishment and the maintenance of cellular identity. By virtue of its central role in replication-coupled chromatin assembly, the histone chaperone CAF-1 constitutes an interesting candidate in a search for molecular players involved in the inheritance of chromatin states in mitotic cells. In Drosophila, dCAF-1 is essential for viability at the larval stage. Yet, the genetic tools available in the fruit fly allow to analyze the function of dCAF-1 in specific tissues. Mainly, my thesis work shows that the large subunit of dCAF-1 (P180) is essential for oogenesis. I have shown that the early arrest of oogenesis observed upon depletion of P180 in germ cells results from the activation of checkpoints pathways and cell death, possibly in response to the accumulation of single-strand DNA as a consequence of replication defects. Strikingly, P180 plays an essential role in the female germline stem cells (GSCs), which upon depletion of P180 enter an “identity crisis” and harbor features of differentiating cyst cells, including incomplete abscission, while maintaining at the same time some GSCs features. In contrast, the loss of P180 does not seem to alter the identity of larval neuroblasts, another population of stem cells, which continue to divide in an asymmetric fashion in its absence. Finally, the cells of the imaginal discs, which divide symmetrically, are able to proliferate upon loss of P180, albeit at a slower rate. Further analyses are required to determine whether alternative chromatin assembly pathways compensate for the loss of dCAF-1 activity in these cells.