La relation entre le repliement du génome et les processus cellulaires majeurs, notamment la transcription, la réparation de l’ADN et la réplication est une question biologique centrale. De nouvelles méthodes de la génomique ont révélé un niveau inconnu de l’architecture tridimensionnelle de la chromatine. A l’échelle en dessous de la mégabase, certaines séquences génomiques se trouvent préférentiellement à proximité les unes des autres formant ainsi des domaines topologiques associés (TAD). Les gènes situés dans le même TAD ont des propriétés épigénétiques similaires, et leur expression au cours de la différentiation semble corrélée, ce qui suggère un lien fort entre la structure de la chromatine et la transcription. Les TADs sont à leur tour séparés par des régions avec peu de contacts, appelées frontières, qui sont généralement occupées par des protéines dites isolatrices. Les déterminants de cette organisation chromatinienne particulière et ses implications fonctionnelles sont largement méconnus. Selon une hypothèse récente, les TADs seraient formés par des contacts entre les séquences des frontières, stabilisés par la formation de boucles via les protéines isolatrices. Les travaux présentés ici ont pour but d’étudier le rôle des protéines isolatrices dans le mécanisme de formation des TADs chez la drosophile. La microscopie super-résolue a été implémentée et une série de développements ont été réalisés en microscopie à illumination structurée (SIM) et la microscopie à localisation de molécules uniques (SMLM), avec une attention particulière sur le marquage fluorescent. Ces développements ont directement été appliqués à l’étude de l’organisation nucléaire de la protéine associée aux éléments frontières (BEAF), une des 11 protéines isolatrices identifiées à ce jour chez la drosophile. Le fort enrichissement aux frontières des TADs, ainsi que son activité dans la formation de boucles d’ADN font de BEAF un candidat intéressant pour tester l’hypothèse de regroupement de frontières comme mécanisme général de repliement de la chromatine. La technique SMLM multi-couleurs a systématiquement localisé BEAF à la périphérie des larges domaines portant la marque épigénétique H3K27me3. L’analyse quantitative des images SMLM a révélé que BEAF forme des centaines de foyers d’une taille de 45 nm, composés en moyenne de 5 molécules, ce qui est en désaccord avec la présence de boucles de chromatine à large échelle. Afin de tester le regroupement de gènes directement au niveau de l’ADN, des frontières ont été marquées par des oligonucléotides fluorescents. Le nombre de foyers détectés par SIM s’est à nouveau révélé incompatible avec le modèle de contacts entre les frontières tout le long du génome. Par ailleurs, les distances entre paires de frontières au niveau de deux régions génomiques ont montré <5% de contacts. Ensemble, ces résultats sont en désaccord avec l’établissement d’interactions entre barrières chez la drosophile. Enfin, ces travaux de thèse ont contribué au développement méthodologique de la microscopie super-résolue, ce qui a permis d’apporter des preuves expérimentales invalidant le modèle de regroupement des frontières comme mécanisme général du repliement chromatinien. / The interplay between genome folding and key cellular functions such as transcription, DNA repair and replication is a fundamental question in chromatin biology. Recent genome-wide developments unveiled a new level of three-dimensional chromatin architecture. At the sub-megabase scale, some genome sequences are preferentially found in proximity with one another forming Topologically Associating Domains (TADs). Genes located within the same TAD display common epigenetic properties and tend to have coordinated dynamics of expression during differentiation, suggesting a strong link between chromatin structure and transcription. TADs are in turn separated by regions of low contact, termed TAD borders, which are generally occupied by factors called chromatin insulators. What are the determinants of this particular type of chromatin organization and what are the functional implications is still largely unknown. In an emerging hypothesis, TADs could be formed through contacts between TAD border sequences stabilized by the looping activity of insulator proteins. This thesis investigates the roles of insulator proteins in the TAD formation mechanism using Drosophila melanogaster as model system. Superresolution imaging was implemented and a series of developments were performed in Structured Illumination Microscopy (SIM) and Single-molecule Localization Microscopy (SMLM), with particular attention on fluorescent labeling for single-molecule detection. These developments were directly applied to study the nuclear organization of the Boundary Element Associated Factor (BEAF), one of the 11 insulator proteins discovered to date in Drosophila. The strong enrichment on TAD borders and its demonstrated looping activity make BEAF a potent candidate to test for the clustering of TAD borders as a general mechanism of chromatin folding. Multicolor SMLM systematically located BEAF foci at the periphery of large H3K27me3 chromatin domains. Quantitative analysis of SMLM images indicated BEAF forms hundreds of 45 nm foci, containing a mean of 5 molecules, which argues against a large-scale looping of BEAF-bound chromatin. To directly probe for gene clustering at the DNA level, TAD borders were labeled using fluorescent oligonucleotide probes. The number of foci detected by SIM was once more incompatible with a model of chromosome-wide contacting of multiple TAD borders. Furthermore, TAD border pairs distances were measured in two genomic regions, resulting in <5% of paired contacts among the measured barriers. Taken together, these results are inconsistent with constitutive interactions between consecutive or non-consecutive barriers in Drosophila.In conclusion, this study contributed to the methodological development of super-resolution microscopy which was applied to provide experimental evidence invalidating the TAD border clustering model as a general mechanism of chromatin folding.

Le noyau est une innovation évolutive majeure caractéristique des organismes eucaryotes. Ces dernières années de nombreux travaux se sont intéressés à l’organisation de la chromatine dans l’espace nucléaire lors de l’interphase. Les protéines associées à la périphérie nucléaire ou ancrées dans la membrane nucléaire interne ont suscité un intérêt majeur due à leur contribution dans l’organisation spatiale de la chromatine. Chez les animaux, les lamines qui forment des filaments à la périphérie nucléaire et le complexe LINC, un complexe protéique reliant la membrane externe et interne du noyau sont connues pour interagir avec la chromatine, influencer l’organisation de cette dernière et moduler la régulation transcriptionnelle. Chez la plante modèle Arabidopsis thaliana utilisée dans ce travail, le complexe LINC est conservé, par contre les lamines ne le sont pas et seraient remplacées par d’autres acteurs spécifiques du règne végétal. Le travail détaillé dans ce manuscrit porte sur la mise en évidence d’un nouveau réseau d’interaction protéique localisé à la périphérie nucléaire et sur l’impact de ces protéines dans la morphologie du noyau et l’organisation de la chromatine. Mes travaux se sont concentrés sur les protéines à domaine SUN, l’une des composantes du complexe LINC et sur les protéines CRWN et KAKU4 présentes à la périphérie du noyau. Des cribles double hybride chez la levure m’ont permis d’identifier 24 partenaires protéiques potentiels dont plus d’un tiers sont des facteurs de transcription L’étude plus précise du facteur de transcription MaMYB pour lequel nous avons créé un allèle nul par la méthode CRISPR montre qu’il joue un rôle plus spécifique dans la formation des racines. L’étude de mutants combinatoires pour les gènes SUN, CRWN et KAKU4 montre des anomalies développementales notamment des tissus reproductifs. Enfin, une étude plus détaillée de la protéine KAKU4 suggère sa participation au maintien de la morphologie du noyau et au rapprochement de l’hétérochromatine vers la périphérie nucléaire. En résumé, mes travaux ont mis en évidence l’existence d’un réseau de facteurs de transcription recrutés à la périphérie nucléaire par les protéines SUN, CRWN et KAKU4. Ce réseau d’interaction protéine-protéine participerait à un mécanisme de séquestration de certains facteurs de transcription et/ou d'un rapprochement à la périphérie nucléaire de certains domaines de chromatine afin d’activer ou de réprimer leur transcription. / The nucleus is a major evolutionary innovation characteristic of eukaryotic organisms. In recent years, numerous studies have focused on the organization of chromatin in nuclear space during interphase. Proteins associated with the nuclear periphery or anchored in the inner nuclear membrane have been particularly studied for their contribution to the spatial organization of chromatin. In animals, the lamina that forms filaments at the nuclear periphery and the LINC complex, a protein complex linking the outer and inner membrane of the nucleus, are known to interact with chromatin, to influence its organization and to modulate transcriptional regulation. In the model plant Arabidopsis thaliana used in this work, the LINC complex is conserved, but not the lamina constituents, which are replaced by other specific actors of the plant kingdom. The work detailed in this manuscript identified a new protein interaction network located on the nuclear periphery and studied the impact of these proteins on nuclear morphology and chromatin organization. My work focused on SUN-domain proteins, one of the components of the LINC complex, and on the CRWN and KAKU4 proteins at the periphery of the nucleus. Double hybrid screens in yeast allowed me to identify 24 potential protein partners, more than a third of which are transcription factors. The more precise study of the transcription factor MaMYB for which we created a null allele using the CRISPR method, shows that it plays a more specific role in root formation. The study of mutant combinations for SUN, CRWN and KAKU4 genes reveals developmental abnormalities, particularly in reproductive tissue. Finally, a more detailed study of the role of the KAKU4 protein suggests that it contributes to the morphology of the nucleus in maintaining heterochromatin at the nuclear periphery. In summary, we propose the existence of a transcription factor network recruited to the nuclear periphery by SUN, CRWN and KAKU4 proteins. This protein-protein interaction network would participate in the sequestration of certain transcription factors and/or the localization of certain chromatin domains to the nuclear periphery in order to activate or suppress their transcription.

Le mélanome est un cancer de la peau très agressif. Microphthalmia-associated transcription factor (MITF) est un facteur de transcription clé contrôlant le développement de la lignée mélanocytaire, ainsi que la prolifération et l’invasion des cellules de mélanome. Pour mieux comprendre les fonctions de MITF, nous avons identifié ses cofacteurs impliques dans la régulation de la transcription. Nous avons montré que le complexe de remodelage de la chromatine NURF interagit avec MITF. Ma thèse a consisté à élucider le rôle de NURF dans le mélanome et les mélanocytes. La perte de BPTF, la principale sous-unité de ce complexe, induit un arrêt de la prolifération et une entrée en senescence des cellules de mélanome. Nous avons montré que BPTF et MITF coopèrent pour réguler l’expression de gènes impliqués dans la prolifération and invasion suggérant que BPTF et un cofacteur de MITF. De façon inattendue, l’inactivation de BPTF spécifiquement dans les mélanocytes entraine la perte progressive et totale de la pigmentation du pelage en raison de l’incapacité des cellules souches mélanocytaire à produire une descendance fonctionnelle. C’est la première fois que l’interaction fonctionnelle entre NURF et MITF est démontrée in vitro, complétée par des observations phénotypique uniques in vivo, contribuant à la compréhension de la biologie des mélanocytes et du mélanome. / Melanoma is a highly aggressive form of skin cancer. Microphthalmia-associated transcription factor (MITF) isa key regulator of development of the melanocyte lineage and proliferation and invasion of melanoma cells.To further elucidate the functions of MITF, we identified factors co-regulating transcription with MITF. We identified the NURF chromatin-remodeling complex as MITF interactor. My thesis aims to elucidate the role of NURF in melanoma and melanocytes. Loss of BPTF, the principal subunit of the complex, led to arrest of proliferation and entry into senescence of melanoma lines. We showed BPTF and MITF co-regulate genes involved in proliferation and invasion suggesting that BPTF acts as cofactor for MITF. Remarkably, the mouse model of melanocyte-specific BPTF ablation led to progressive and complete loss of coat pigmentation due to the inability of the melanocyte stem cells to produce functional progeny. This is the first report of NURF-MITF functional interaction in vitro, complemented with a unique in vivo phenotype, both adding to a general understanding of melanocyte and melanoma biology.

Une approche de biologie structurale intégrative a été mise à profit pour l'étude de l’organisation structurale du complexe NuRD. Mon travail s'est focalisé essentiellement sur trois sous-unités du complexe: MBD3, RbAp46 et RbAp48. J'ai mis en place les protocoles de production et de purification de ces différentes sous-unités, et les ai caractérisé biophysiquement par diverses méthodes. Nous avons ensuite entrepris des études de liaisons sur des nucléosomes reconstitués au laboratoire. Pour MBD3, l'optimisation du complexe nous a permis d'obtenir des cristaux diffractant jusqu'à 7 A de résolution. Parallèlement, une reconstruction 3D préliminaire à partir de données de cryo-microscopie électronique a pu être obtenue à 25A de résolution. Pour RbAp46/48, nous avons pu montrer que ces protéines formaient un complexe stable avec le nucléosome, pavant la voie pour leur future étude structurale par cryo-microscopie électronique ou cristallographie aux rayons-X. / An integrative structural biology approach has been used to study the structural organization of the NuRD complex.My work focused especially on three subunits of this complex: MBD3, RbAp46 and RbAp48. I set up the preparation of the individual subunits and characterized them by various biophysical methods. We next carried out binding assays with homemade human nucleosomes. For MBD3, optimization of the complex led to crystals diffracting up to 7 Å. In parallel, a preliminary 3-D reconstruction at 25 Å resolution has been solved in cryo-EM. For RbAp46/48, crystal we were able to show that these proteins form stable complexes with the nucleosome, paving the way for future structural analysis by cryo-EM or X-ray crystallography.

Dans les cellules eucaryotes, la réponse aux lésions de l'ADN s'accompagne d'une réorganisation de la chromatine. Cette structure, associant l'ADN aux protéines histones, est porteuse de l'information épigénétique, qui définit l'identité cellulaire. Cependant, nos connaissances concernant les mécanismes impliqués dans la réorganisation de la chromatine dont l'intégrité structurale et fonctionnelle a été menacée par un stress génotoxique sont encore limitées, en particulier dans les cellules humaines. Au cours de ma thèse, je me suis donc intéressée à cette thématique en me concentrant sur l'étude de la dynamique des variants de l'histone H3 et de leurs chaperons associés après dommages UVC. En combinant une technologie innovante de suivi spécifique des histones parentales ou néo-synthétisées à des techniques de pointe d'induction de dommages locaux dans l'ADN, j'ai ainsi mis en évidence que le chaperon HIRA (Histone Regulator A) est recruté tôt aux sites de lésions où il stimule l'incorporation locale de nouveaux variants H3.3 et assure la reprise de la transcription après réparation des dommages UVC. Nous avons aussi démontré que les anciennes histones sont initialement redistribuées dans la chromatine autour des sites de lésions par un mécanisme faisant appel au facteur de détection des dommages DDB2 (DNA Damage Binding protein 2). A plus long terme, des histones parentales " reviennent " dans les régions de chromatine en cours de réparation où elles se mélangent aux nouvelles histones incorporées. Le " retour " d'histones préexistantes contribuerait ainsi au maintien de l'intégrité de l'information épigénétique véhiculée par la chromatine avant stress génotoxique. / In eukaryotic cells, the DNA damage response involves a reorganization of chromatin structure. This structure, in which DNA is associated with histone proteins, conveys the epigenetic information, which is critical for cell identity. However, we are still far from understanding the mechanisms underlying chromatin dynamics in response to DNA damage, which challenges both the structural and functional integrity of chromatin architecture. During my PhD, I thus decided to explore this issue in human cells, by deciphering the dynamics of histone H3 variants and their dedicated chaperones in response to UVC lesions. By combining local UVC irradiation with an innovative technology that allows specific tracking of parental and newly synthesized histones, I revealed that the histone chaperone HIRA (Histone Regulator A) is recruited early to UVC-damaged chromatin regions, where it promotes local deposition of new histone H3.3 variant and facilitates transcription recovery upon repair completion. We also demonstrated that old H3 histones are initially redistributed around the damaged chromatin zone, this conservative redistribution requiring the UVC damage sensor DDB2 (DNA Damage Binding protein 2). Later in the repair process, most parental histones recover and mix with newly deposited histones in repairing chromatin regions. The recovery of pre-existing histones may contribute to preserve the integrity of the epigenetic information conveyed by chromatin before genotoxic stress.

Le virus de l'hépatite Delta (HDV) est un agent infectieux transmissible satellite du virus de l'hépatite B (HBV), induisant des maladies du foie plus sévères que la mono–infection par le HBV. Aucun traitement totalement efficace n'est disponible contre l'HDV et les 15 millions de personnes infectées par le HDV dans le monde sont exposées a un risque élevé de cirrhose et de carcinome hépatocellulaire. HDV est un virus unique qui ne code pas pour une polymérase virale contrairement aux autres virus a ARN. La réplication de l'ARN HDV s'effectue par un double mécanisme de cercle roulant générant des brins d'ARN de longueur génomique ou antigénomiques unitaires. La synthèse de l'ARN génomique est sensible à de faibles concentrations d'alpha–amanitine, ce qui suggère qu'elle soit médiée par l'ARN polymérase II (ARN Pol II) classiquement ADN dépendante. Ce processus repose sur la petite protéine du HDV (S–HDAg), qui doit être acétylée sur l'acide amine K72 pour activer la synthèse de l'ARN génomique. Nous avons récemment identifié la protéine BAZ2B (Bromodomain Associated Zinc finger protein 2B) comme un interactant majeur de S–HDAg par capture par affinité, couplée à la spectrométrie de masse à partir de l'expression de S– HDAg étiqueté par un double motif Strep–TagR dans les cellules HepaRG différentiées. La fonction biologique de BAZ2B est inconnue. Cependant, en comparant avec des protéines apparentées BAZ (BAZ–1A/1B/2A), on postule que BAZ2B représente la sous–unité accessoire d'un nouveau complexe de remodelage de chromatine de type ISWI, qui régule le positionnement des nucléosomes par hydrolyse de l'ATP. Des études récentes ont révélé que le bromodomaine de BAZ2B (BRD) reconnait la signature épigénétique spécifique K14ac–X–X–R sur l'histone H3. Cela pourrait impliquer le mode d'action du complexe de remodelage de la chromatine dont BAZ2B représente l'unité régulatrice reconnaissant des marques spécifiques d'acétylation des histones propagées séquentiellement modifiant la dynamique de la chromatine et favorisant le recrutement de l'ARN Pol II pour activer la transcription. Nous émettons l'hypothèse que l'acétylation, médiée par p300, du motif K72–X–X–R conserve dans les S–HDAg interagissant avec l'ARN antigénomique pseudo double brin, mimerait l'acétylation des histone H3 en K14 permettant de recruter le complexe de remodelage de la chromatine BAZ2B associée et de lancer la réplication HDV. Brièvement, pour confirmer la pertinence fonctionnelle du recrutement BAZ2B pour la réplication HDV, nous avons transfecté des lignées cellulaire Huh–7 exprimant de façon stable, soit la protéine sauvage S–HDAg ou le mutant R75A pour étudier la réplication HDV à partir plasmide pSVLD2m défectif pour l'expression de S–HDAg. Nos résultats indiquent que la synthèse de l'ARN génomique est fortement réduite dans les cellules exprimant le mutant R75A S–HDAg par rapport aux cellules exprimant le type sauvage S–HDAg, alors que la quantité d'ARN antigénomique est restée le même dans les deux cas. Des expériences de co–cristallisation et de siRNA sont actuellement menées afin de mieux caractériser au niveau moléculaire l'association entre BAZ2B BRD et des peptides dérivés de la séquence de S–HDAg et d'étudier les conséquences de l'inhibition par siRNA de BAZ2B. L'implication des BAZ2B dans la réplication de HDV pourra ouvrir des possibilités de développement de médicaments anti–HDV, basées sur l'optimisation des inhibiteurs émergents de BAZ2B–BRD / Hepatitis Delta Virus (HDV) is a satellite of Hepatitis B Virus (HBV), leading to more severe life threatening liver diseases than HBV mono–infection. No efficient therapy is available against HDV and the estimated 15 million HDV infected individuals worldwide are at a high risk of cirrhosis and hepatocellular carcinoma. HDV is a unique RNA virus as it does not encode a viral polymerase. HDV RNA replication occurs via a double rolling circle mechanism generating unit–length genomic or antigenomic RNA strands. The synthesis of the genomic RNA is sensitive to low concentrations of α–amanitin, suggesting that the RNA–dependent RNA synthesis is mediated by DNA–dependent RNA polymerase II (RNA Pol II). This process relies on the HDV encoded Small Hepatitis Delta antigen (S–HDAg), which must be acetylated at K72 to activate the synthesis of the genomic RNA. We recently identified BAZ2B (Bromodomain Associated to Zinc finger protein 2B) as a major interactant of S–HDAg by affinity capture coupled to mass spectrometry in differentiated HepaRG cells. The biological function of BAZ2B is however unknown. In comparison with related BAZ proteins (BAZ–1A/1B/2A), it is postulated that BAZ2B is the accessory subunit of a new chromatin remodeling complex of ISWI–type, which regulates nucleosome positioning through ATP hydrolysis. Recent studies revealed that the BAZ2B bromodomain (BRD) recognizes the distinct epigenetic signature K14ac–X–X–R on histone H3. This suggests that the mode of action of BAZ2B associated chromatin remodeling complex involves recognizing propagated specific histone acetylation marks to subsequently alter the chromatin dynamic and recruit the RNA Pol II for transcriptional activation. We hypothesized that the p300–mediated acetylation of the conserved K72–X–X–R motif in S–HDAg mimics acetylated histones on the pseudo–double stranded antigenomic RNA, to recruit the BAZ2B associated chromatin remodeling complex to initiate RNA Pol II mediated synthesis of HDV genome. To confirm the functional relevance of BAZ2B recruitment for HDV replication, we transfected Huh 7 cells stably expressing either wild–type S–HDAg or R75A mutant S–HDAg with the HDV replication defective plasmid pSVLD2m. Our results indicate that the synthesis of genomic RNA was greatly reduced in cells expressing the R75A mutant S–HDAg in comparison to cells expressing wild–type S–HDAg, whereas the amount of antigenomic RNA remained the same in both cases. Co–crystallization experiments are currently being carried out to better characterize at the molecular level the association between BAZ2B BRD and S–HDAg derived peptides. Furthermore, siRNA experiments directed against the BAZ2B gene are expected to reveal the consequences of BAZ2B inhibition on HDV viral replication. The involvement of BAZ2B in HDV replication may open anti–HDV drug development opportunities, based on the optimization of emerging BAZ2B–BRD inhibitors

Les cassures double brin (CDB) de l’ADN sont des lésions dangereuses qui peuventêtre produites par des agents physiologiques et environnementaux. La réparation inefficace desCDB dans les cellules souches adultes (CSA), qui sont au sommet de la hiérarchie cellulaire,peut affecter leur capacité d’auto-renouvellement et également le processus de régénération.Le maintien de la stabilité génomique est fondamental et l’altération de ce processus accélèrele vieillissement et peut engendrer des cancers (cellules souches cancéreuses).Les CSA du muscle squelettique (cellules satellites, CS) sont responsables del’homéostasie et de la régénération musculaire. Après activation, les CS quiescentesprolifèrent, régénèrent les myofibres et reconstituent le pool, en s’auto-renouvelant.Ce projet de thèse a eu pour but d’étudier la réparation des CDB dans les CS et leursdescendants, au cours de la différenciation. Nous avons montré que les CS réparent les CDBplus efficacement et plus fidèlement que les cellules différenciées, avec l’implication du NHEJet de DNA-PK. Cette efficacité dépend plus de l’état de différenciation que de la proliférationet la niche a un impact mineur. De plus, des expériences avec des mutants de réparation,apoptose et différenciation suggèrent un mécanisme spécifique de réparation des CDB dans lesCS, qui pourrait être lié à l’architecture distincte de la chromatine de ces cellules. Ces étudesdevraient aider à comprendre comment le maintien de l’intégrité de l’ADN préserve le pooldes CS, influence la régénération et le vieillissement et protège de la carcinogenèse. / DNA double strand breaks (DSBs) are dangerous DNA lesions that are generated byphysiological and environmental DNA agents. Mismanagement of DSBs in adult stem cellsthat are at the top of the hierarchy generating the differentiated tissue, can affect their selfrenewalcapacity and the fate of their progeny. Maintenance of genome stability throughrobust DNA repair is fundamental for tissue regeneration, and impairment of this processaccelerates aging and may lead to cancers (cancer stem cells).Adult muscle stem cells (satellite cells, SCs) sustain skeletal muscle homeostasis andregeneration. Upon activation, quiescent SCs proliferate thereby regenerating muscle fibersand reconstituting the satellite cell pool by self-renewing.This thesis project aims to study DSB repair in SCs and their progeny, duringdifferentiation. We showed that muscle SCs repair DSBs more efficiently and, surprisingly,more accurately than differentiated cells by implicating NHEJ and DNA-PK. The repairefficiency is more a function of the differentiation status than of the replication status ofmyogenic cells, and the niche has a minor effect on the repair efficiency of SCs. Moreover,experiments with DSB repair, apoptosis and differentiation mutants suggest that SCs repairDSBs through a specific mechanism, that may be linked to the distinct chromatin architectureof these cells. These studies should help understanding how the maintenance of genomestability preserves SCs pool, influence regeneration and aging and protect fromcarcinogenesis.

Dans cette thèse nous étudions la relation entre la conformation et la dynamique de la chromatine en nous basant sur une classe de modèles de polymères aléatoirement réticulé (AR). Les modèles AR permettent de prendre en compte la variabilité de la conformation de la chromatine sur l’ensemble d’une population de cellules. Nous utilisons les outils tels que les statistiques, les processus stochastiques, les simulations numériques ainsi que la physique des polymères afin de déduire certaines propriétés des polymères AR a l’équilibre ainsi que pour des cas transitoires. Nous utilisons par la suite ces propriétés afin d’élucider l’organisation dynamique de la chromatine pour diverses échelles et conditions biologiques. Dans la première partie de ce travail, nous développons une méthode générale pour construire les polymères AR directement à partir des données expérimentales, c’est-à-dire des données de capture chromosomiques (CC). Nous montrons que des connections longue portées persistantes entre des domaines topologiquement associés (DTA) affectent le temps de rencontre transitoire entre les DTA dans le processus d’inactivation du chromosome X. Nous montrons de plus que la variabilité des exposants anormaux – mesurée en trajectoires de particules individuelles (TPI) – est une conséquence directe de l’hétérogénéité dans la position des réticulations. Dans la deuxième partie, nous utilisons les polymères AR afin d’étudier la réorganisation locale du génome au point de cassure des deux branches d’ADN (CDB). Le nombre de connecteurs dans le modèle de polymère AR est calibré à partir de TPI, mesurées avant et après la CDB. Nous avons trouvé que la perte modérée de connecteur autour des sites de la CDB affecte de façon significative le premier temps de rencontre des deux extrémités cassées lors du processus de réparation d’une CBD. Nous montrons comment un micro-environnement génomique réticulé peut confiner les extrémités d’une cassure, empêchant ainsi les deux brins de dériver l’un de l’autre. Dans la troisième partie nous déduisons une expression analytique des propriétés transitoires et a l’équilibre du modèle de polymère AR, représentant une unique région DTA. Les expressions ainsi obtenue sont ensuite utilisées afin d’extraire le nombre moyen de connexions dans les DTA provenant des données de CC, et ce à l’aide d’une simple procédure d’ajustement de courbe. Nous dérivons par la suite la formule pour le temps moyen de première rencontre (TMPR) entre deux monomères d’un polymère AR. Le TMPR est un temps clé pour des processus tels que la régulation de gènes et la réparation de dommages sur l’ADN. Dans la dernière partie, nous généralisons le modèle AR analytique afin de prendre en compte plusieurs DTA de tailles différentes ainsi que les connectivités intra-DTA et extra-DTA. Nous étudions la dynamique de réorganisation de DTA lors des stages successifs de différentiations cellulaires à partir de données de CC. Nous trouvons un effet non-négligeable de la connectivité de l’inter-DTA sur les dynamiques de la chromatique. Par la suite nous trouvons une compactification et une décompactification synchrone des DTA à travers les différents stages. / In this dissertation we study the relationship between chromatin conformation and dynamics using a class of randomly cross-linked (RCL) polymer models. The RCL models account for the variability in chromatin conformation over cell population. We use tools from statistics, stochastic process, numerical simulations and polymer physics, to derive the steady-state and transient properties of the RCL polymer, and use them to elucidate the dynamic reorganization of the chromatin for various scales and biological conditions. In the first part of this dissertation work, we develop a general method to construct the RCL polymer directly from chromosomal capture (CC) data. We show that persistent long-range connection between topologically associating domain (TAD) affect transient encounter times within TADs, in the process of X chromosome inactivation. We further show that the variability in anomalous exponents, measured in single particle trajectories (SPT), is a direct consequence of the heterogeneity of cross-link positions. In the second part, we use the RCL polymer to study local genome reorganization around double strand DNA breaks (DSBs). We calibrate the number of connectors in the RCL model using SPT data, acquired before and after DSB. We find that the conservative loss of connectors around DSB sites significantly affects first encounter times of the broken ends in the process of DSB repair. We show how a cross-linked genomic micro-environment can confine the two broken ends of a DSB from drifting apart. In the third part, we derive analytical expressions for the steady-state and transient properties of the RCL model, representing a single TAD region. The derived expressions are then used to extract the mean number of cross-links in TADs of the CC data, by as simple curve fitting procedure. We further derive formula for the mean first encounter time (MFET) between any two monomers of the RCL polymer. The MFET is a key time in processes such as gene regulation. In the last part, we generalize the analytical RCL model, to account for multiple TADs with variable sizes, intra, and inter-TAD connectivity. We study the dynamic reorganization of TADs, throughout successive stages of cell differentiation, from the CC data. We find non-negligible effect of inter-TAD connectivity on the dynamics of the chromatin. We further find a synchronous compaction and decompaction of TADs during differentiation.

Le récepteur minéralocorticoïde (MR), activé par l’aldostérone, exerce de nombreuses fonctions pléïotropes, notamment au niveau rénal où il régule l’homéostasie hydrosodée. Des dysfonctionnements de la signalisation minéralocorticoïde sont impliqués dans des pathologies majeures chez l’Homme. Dans ce travail, nous avons identifié par ChIP sequencing le premier cistrome du MR dans une lignée cellulaire rénale humaine. La caractérisation des cibles génomiques a permis de décrire l’élément de réponse spécifique du MR, et de démontrer l’existence de deux modes d’action pour le MR : par liaison directe à l’ADN, ou indirecte via la liaison à d’autres facteurs de transcription. Le MR est physiologiquement confronté à une dualité face au récepteur glucocorticoïde (GR) avec lequel il partage un ligand, le cortisol, et des cibles génomiques, dont le gène PER1. Sur ce dernier, les deux récepteurs se distinguent par des recrutements dynamiques et cycliques différents, variants selon l’hormone, et contemporains de celui de partenaires transcriptionnels, régulant ainsi des effets à court ou à long-terme. Enfin, par ChIP en série et en tandem, nous avons montré que le MR et le GR agissent sous forme d’homodimères ou d’hétérodimères.L’identification du cistrome du MR, et la caractérisation de ses mécanismes d’action moléculaires, améliore notre compréhension de la physiopathologie de la signalisation minéralocorticoïde, et pourrait aboutir, notamment par le développement d’antagonistes sélectifs du MR comme la Finérénone, à de nouvelles stratégies thérapeutiques. / The mineralocorticoid receptor (MR), activated by aldosterone, exhibits numerous pleiotropic functions, most notably at the renal level where it regulates electrolytic homeostasis. Dysfunctions in the mineralocorticoid signaling pathway are involved in major diseases in Human. During this work, we have identified by ChIP sequencing the first MR cistrome in a human renal cell lineage. The characterization of the identified genomic targets allowed us to define a specific MR responsive element, and to demonstrate the existence of two transactivation processes for MR: through direct binding to DNA or through indirect interaction via binding to other transcription factors. MR is physiologically confronted with a duality with the glucocorticoid receptor (GR), since they share a common ligand, cortisol, and some of their genomic targets, whose PER1 gene. On the latter, MR and GR are distinguished by different dynamic and cyclical recruitment, varying according to hormone, and coordinated with the one of transcriptional partners, translating into the regulation of short-term and long-term effects. Finally, by serial and tandem ChIP experiment, we have demonstrated that MR and GR act as homodimer and as heterodimer.Identification of new MR genomic targets and characterization of its molecular mechanisms of action, improve our understanding of the pathophysiology of the mineralocorticoid signaling pathway. This could ultimately, notably through the development of selective MR antagonists like Finerenone, lead to new therapeutic strategies.

Au cours de l'évolution, les cellules eucaryotes ont acquis une enveloppe nucléaire (NE) renfermant et protégeant le génome organisé en chromatine, une structure où l'ADN s’enroule autour de protéines histones. La NE est composé de deux membranes : du côté nucléoplasmique, la membrane nucléaire interne (INM) et du côté cytoplasmique, la membrane nucléaire externe. La NE permet la communication entre les deux compartiments par le biais des complexes de pores nucléaires et relie le cytosquelette au nucléosquelette via le complexe LINC (LInker of Nucleoskeleton to Cytoskeleton). Ainsi, le nucléosquelette associé à l'INM est nécessaire pour transmettre des signaux au noyau et induire des changements dans l'organisation de la chromatine et finalement dans l'expression des gènes.Une nouvelle famille de protéines associées à l'enveloppe nucléaire (NEAP),proposées comme nouveaux composants du nucléosquelette de la plante, a récemment été mise en évidence dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ces protéines sont codées par une famille de trois gènes et sont ciblées vers le noyau via un NLS où elles sont ancrées à l'INM via leur domaine transmembranaire C-terminal. Les protéines AtNEAPs possèdent également plusieurs longs domaines en spirale (coiled-coil) rappelant la structure des lamines chez les animaux. Cette thèse visait à réaliser une analyse fonctionnelle des AtNEAPs à l'aide de lignées mutantes T-DNA et CRISPR/Cas9. L'interactome AtNEAP a été étudié par des approches moléculaires (Yeast Two Hybrid), indiquant des interactions entre AtNEAPs pouvant former des homo- ou hétéro-dimères; ainsi que la localisation et la co-localisation in vivo couplées à de l’imagerie (apFRET), qui ont confirmé les interactions avec le facteur de transcription (TF) AtbZIP18. Les anticorps spécifiques à AtNEAP générés au cours de cette étude ont été utilisés pour confirmer l'expression in vivo. En outre, les résultats ont indiqué que les AtNEAPs font partie du nucléosquelette et jouent un rôle dans l’ancrage des TF à l’INM afin de maintenir la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine. / During evolution, eukaryotic cells have acquired a nuclear envelope (NE) enclosingand protecting the genome, which is organized in chromatin, a structure wrapping DNAaround histone proteins. The NE is composed of two membranes: on the nucleoplasmic side,the Inner Nuclear Membrane (INM) and on the cytoplasmic side, the Outer NuclearMembrane. The NE allows communication between both compartments through Nuclear PoreComplexes and bridges the cytoskeleton to the nucleoskeleton through the LInker ofNucleoskeleton to Cytoskeleton complex. Thus, the nucleoskeleton associated with the INMis needed to transmit signals to the nucleus and induce changes in chromatin organisation andultimately gene expression.A novel family of NUCLEAR ENVELOPE ASSOCIATED PROTEINS (NEAPs)proposed to be new components of the plant nucleoskeleton has been recently evidenced inthe model plant Arabidopsis thaliana. AtNEAP proteins are encoded by a small gene familycomposed of three genes and are targeted through a nuclear localisation signal to the nucleuswhere they are anchored at the INM through their C-terminal transmembrane domain.AtNEAPs also possess several long coiled-coil domains reminiscent of the lamin structure inanimals. This thesis aimed at performing a functional analysis of AtNEAPs using T-DNAinsertion and CRISPR/Cas9 mutant lines. The AtNEAP interactome was investigated bymolecular approaches (Yeast Two Hybrid), which indicated AtNEAP interactions with eachother to form homo or hetero-dimers; as well as in vivo localisation and co-localisationcoupled to image analyses (apFRET, acceptor photobleaching Fluorescence ResonanceEnergy Transfer), which confirmed interactions with the transcription factor (TF) AtbZIP18.AtNEAP specific antibodies generated during this study were used to confirm expression invivo. Altogether, results indicated that AtNEAPs are part of the nucleoskeleton, with a role inanchoring TFs at the INM to maintain nuclear morphology and chromatin organisation.