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DNA copy number change is an important form of structural variation in human genome. Somatic copy number alterations (CNAs) can cause over expression of oncogenes and loss of tumor suppressor genes in tumorigenesis. Recent development of SNP array technology has facilitated studies on copy number changes at a genome-wide scale, with high resolution. Quantitative analysis of somatic CNAs on genes has found broad applications in cancer research. Most tumors exhibit genomic instability at chromosome scale as a result of dynamically accumulated genomic mutations during the course of tumor progression. Such higher level cancer genomic characteristics cannot be effectively captured by the analysis of individual genes. We introduced two definitions of chromosome instability (CIN) index to mathematically and quantitatively characterize genome-wide genomic instability. The proposed CIN indices are derived from detected CNAs using circular binary segmentation and wavelet transform, which calculates a score based on both the amplitude and frequency of the copy number changes. We generated CIN indices on ovarian cancer subtypes' copy number data and used them as features to train a SVM classifier. The experimental results show promising and high classification accuracy estimated through cross-validations. Additional survival analysis is constructed on the extracted CIN scores from TCGA ovarian cancer dataset and showed considerable correlation between CIN scores and various events and severity in ovarian cancer development. Currently our methods have been integrated into G-DOC. We expect these newly defined CINs to be predictors in tumors subtype diagnosis and to be a useful tool in cancer research. / Master of Science

TRF1 est une protéine télomérique essentielle pour la stabilité et la régulation de la longueur des télomères. Son expression est altérée dans de nombreux cancers humains, et son inhibition, dans un contexte p53 déficient, favorise le développement de tumeurs chez la souris. Nous montrons ici que l'inhibition de TRF1 dans les fibroblastes primaires humains conduit à une accumulation télomérique de γ-H2AX et à une activation de la voie de réponse aux dommages de l'ADN dépendante des kinases ATR/Chk1, menant rapidement les cellules vers la sénescence. En revanche, lorsque les voies p53 et pRb sont défaillantes, les cellules échappent à la sénescence. L'érosion accrue des télomères engendre alors une fragilité télomérique et une instabilité chromosomique, caractérisées par la présence de fusions entres chromatides soeurs et de signaux multi-télomériques (MTS). Un niveau élevé de MTS, associés à la présence de télomères courts, est également retrouvé après la surexpression de TRF1. Cette fragilité télomérique conduit à une extension de la capacité proliférative des cellules, due à une stabilisation de la longueur des télomères par réactivation de la télomérase. Nous proposons que la fragilité des télomères, induit par l'altération de la charge télomérique de TRF1, conduit à une instabilité chromosomique qui facilite la réactivation de la télomérase et à des anomalies chromosomiques comparables à celles retrouvées dans les tumeurs. La dérégulation de l'expression de TRF1 joueraient un rôle dans la progression tumorale des cellules p53 et pRb déficientes. / TRF1 is a telomere-binding protein which is essential for both telomere stability and telomere length regulation. TRF1 depletion in the context of p53 deficiency promotes tumor development in the mouse, and TRF1 expression is altered in some human cancers. We report here that inhibition of TRF1 in human primary fibroblast results in rapid induction of senescence, which is concomitant with telomeric accumulation of γ-H2AX and phosphorylation of the ATR downstream checkpoint kinase Chk1. Abrogation of p53 and pRb pathways bypasses senescence but leads to accelerated telomere shortening and early onset of chromosomal instability, including sister chromatid fusions and the occurrence of multi-telomeric signals (MTS) related to telomere fragility. MTS are also elevated in TRF1-overexpressing cells and are coincident with the presence of short telomeres. Elevated telomere fragility was associated with greater immortalization potential and resultant cells maintained their telomeres via telomerase reactivation. We propose that changes in TRF1 occupancy at telomeres lead to telomere-fragility driven chromosome instability, which facilitates the reactivation of telomerase and engenders cancer-relevant chromosomal aberrations. These events would occur at early stages of the tumor progression process in the context of an impaired p53 and pRb response.

Une caractéristique intéressante de la protéine Bcl-xL est la présence d'un domaine en boucle non-structurée entre les hélices α1 and α2 de la protéine. Ce domaine protéique n'est pas essentiel pour sa fonction anti-apoptotique et absent chez CED-9, la protéine orthologue chez Caenorhabditis elegans. A l'intérieur de ce domaine, Bcl-xL subit une phosphorylation et déphosphorylation dynamique sur les résidus Ser49 et Ser62 en phase G2 du cycle cellulaire et lors de la mitose. Lorsque ces résidus sont mutés et les protéines exprimées dans des cellules cancéreuses, les cellules démontrent plusieurs défauts mitotiques liés à l'instabilité chromosomique. Pour analyser les effets de Bcl-xL Ser49 et Ser62 dans les cellules normales, les présentes études ont été réalisées dans des cellules diploïdes humaines normales, et in vivo chez Caenorhabditis elegans. Dans une première étude, nous avons utilisé la lignée cellulaire de cellules fibroblastiques diploïdes humaines normales BJ, exprimant Bcl-xL (type sauvage), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) et les double (S49/62A) et (S49/62D) mutants. Les cellules exprimant les mutants de phosphorylation ont montré des cinétiques de doublement de la population cellulaire réduites. Ces effets sur la cinétique de doublement de la population cellulaire corrèle avec l'apparition de la sénescence cellulaire, sans impact sur les taux de mort cellulaire. Ces cellules sénescentes affichent des phénotypes typiques de sénescence associés notamment à haut niveau de l'activité β-galactosidase associée à la sénescence, la sécrétion d' interleukine-6, l'activation de p53 et de p21WAF1/ Cip1, un inhibiteur des complexes kinase cycline-dépendant, ainsi que la formation de foyers de chromatine nucléaire associés à γH2A.X. Les analyses de fluorescence par hybridation in situ et des caryotypes par coloration au Giemsa ont révélé que l'expression des mutants de phosphorylation de Bcl-xL provoquent de l'instabilité chromosomique et l'aneuploïdie. Ces résultats suggèrent que les cycles de phosphorylation et déphosphorylation dynamiques de Bcl-xL Ser49 et Ser62 sont importants dans le maintien de l'intégrité des chromosomes lors de la mitose dans les cellules normales. Dans une deuxième étude, nous avons entrepris des expériences chez Caenorhabditis elegans pour comprendre l'importance des résidus Ser49 et Ser62 de Bcl-xL in vivo. Les vers transgéniques portant les mutations de Bcl-xL (S49A, S62A, S49D, S62D et S49/62A) ont été générés et leurs effets ont été analysés sur les cellules germinales des jeunes vers adultes. Les vers portant les mutations de Bcl-xL ont montré une diminution de ponte et d'éclosion des oeufs, des variations de la longueur de leurs régions mitotiques et des zones de transition, des anomalies chromosomiques à leur stade de diplotène, et une augmentation de l'apoptose des cellules germinales. Certaines de ces souches transgéniques, en particulier les variants Ser/Ala, ont également montré des variations de durée de vie par rapport aux vers témoins. Ces observations in vivo ont confirmé l'importance de Ser49 et Ser62 à l'intérieur du domaine à boucle de Bcl-xL pour le maintien de la stabilité chromosomique. Ces études auront une incidence sur les futures stratégies visant à développer et à identifier des composés qui pourraient cibler non seulement le domaine anti-apoptotique de la protéine Bcl-xL, mais aussi son domaine mitotique pour la thérapie du cancer. / An interesting feature of Bcl-xL protein is the presence of an unstructured loop domain between its α1 and α2 helices, a domain not essential for its anti-apoptotic function and absent in CED-9, ortholog protein in Caenorhabditis elegans. Within this domain, Bcl-xL undergoes dynamic phosphorylation and dephosphorylation at Ser49 and Ser62 during G2 and mitosis in human cancer cells. When these residues are mutated and proteins expressed in cancer cells, cells harbor mitotic defects, including chromosome mis-attachment, lagging, bridging and mis-segregation, events associated with chromosome instability and aneuploidy. To further analyze the effects of Bcl-xL Ser49 and Ser62 in normal cells, the present studies were performed in normal human diploid cells, and in vivo in Caenorhabditis elegans. First, we studied normal human diploid BJ foreskin fibroblast cells expressing Bcl-xL(wild type), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) and the dual (S49/62A) and (S49/62D) mutants. Cells expressing S49 and/or S62 phosphorylation mutants showed reduced kinetics of cell population doubling. These effects on cell population doubling kinetics correlated with early outbreak of senescence with no impact on the cell death rate. Senescent cells displayed typical senescence-associated phenotypes including high-level of senescence-associated β-galactosidase activity, interleukin-6 secretion, tumor suppressor p53 and cyclin-dependent kinase inhibitor p21Waf1/Cip1 activation as well as γH2A.X-associated nuclear chromatin foci. Fluorescence in situ hybridization analysis and Giemsa-banded karyotypes revealed that the expression of Bcl-xL phosphorylation mutants in normal diploid BJ cells provoked chromosome instability and aneuploidy. These findings suggest that dynamic Bcl-xL Ser49 and Ser62 phosphorylation/ dephosphorylation cycles are important in the maintenance of chromosome integrity during mitosis in normal cells. Second, we undertook experiments in Caenorhabditis elegans to understand the importance of Bcl-xL Ser49 and Ser62 in vivo. Transgenic worms carrying single-site S49A, S62A, S49D, S62D and dual-site S49/62A mutants were generated and their effects were analyzed in germlines of young adult worms. Worms expressing Bcl-xL variants showed decreased egg-laying and hatching, variations in the length of their mitotic regions and transition zones, chromosomal abnormalities at their diplotene stages, and increased germline apoptosis. Some of these transgenic strains, particularly the Ser to Ala variants, also showed slight modulations of lifespan compared to their controls. The in vivo observations confirmed the importance of Ser49 and Ser62 within the loop domain of Bcl-xL in maintaining chromosome stability. These studies could impact future strategies aiming to develop and identify compounds that could target not only the anti-apoptotic domain of Bcl-xL protein, but also its mitotic domain for cancer therapy.

Condensine est un complexe protéique organisateur du génome qui conduit l’assemblage des chromosomes et promeut leur transmission fidèle en anaphase. De nombreuses études ont rapporté des changements dans les niveaux des ARNs cellulaires quand Condensine est défaillante, suggérant un rôle pour Condensine dans la régulation de l’expression génique. Cependant, les mécanismes sous-jacents sont demeurés énigmatiques, et l’on ignore dans quelle mesure le rôle joué par Condensine dans l’expression génique est lié ou non à sa fonction dans l’organisation des chromosomes. Lors de ma thèse, j’ai étudié l’activité de Condensine dans la régulation de l’expression génique en utilisant la levure S. pombe comme organisme modèle. Contrairement à l’idée communément admise, mes résultats montrent que Condensine ne joue aucun rôle direct dans le maintien du transcriptome, ni en interphase, ni en mitose chez cette levure. En accord avec les études précédentes, j’observe des changements de niveau et de qualité des ARNs dans les cellules mutantes pour Condensine au sortir de la mitose ; des ARNs non codants et des ARNs aberrants, étendus en 3’, s’accumulent. En revanche, je démontre que ces changements sont la conséquence de défauts de transmission des chromosomes en anaphase. L’inactivation de Condensine cause la non-disjonction de l’ADN ribosomique et du nucléole, entrainant une déplétion de l’ARN-exosome des cellules filles, lesquelles accumulent alors des ARNs normalement dégradés par l’ARN-exosome. De façon cruciale, je montre qu’empêcher les anomalies de migration des chromosomes restaure une expression normale des gènes malgré l’inactivation de Condensine, démontrant que c’est l’instabilité chromosomique qui est source des changements d’expression génique observés quand Condensine est défaillante, et non le complexe Condensine en tant que tel. Ce travail remet en question le concept de régulation de l’expression génique par les complexes Condensine et appelle à la prudence lorsque l’on cherche à étudier les fonctions de ces complexes en dehors de la condensation de la chromatine en mitose. / Condensin is a genome organiser that shape chromosomes and promote their accurate transmission in anaphase. Several studies have related changes in RNA level when Condensin is defective, suggesting that the complex has also a role in gene expression. However, the mechanisms have remained enigmatic and we still don’t know to what extent it is related to its role in chromosome organization. During my thesis, I studied the role played by Condensin in the regulation of gene expression using S. pombe as a model system. In contrast to previous studies, my results provide compelling evidence that Condensin plays no direct role in the maintenance of the transcriptome, neither during interphase nor during mitosis in this yeast. Accordingly to previous studies, I observed changes in RNA level in cells mutated for Condensin; non coding and 3’ extended RNA accumulate. However, I showed that the changes in gene expression in post-mitotic fission yeast cells that result from Condensin inactivation are largely a consequence of chromosome missegregation during anaphase, which notably depletes the RNA-exosome from daughter cells. Crucially, preventing karyotype abnormalities in daughter cells restores a normal transcriptome despite Condensin inactivation. Thus, chromosome instability, rather than a direct role of Condensin in the transcription process, changes gene expression. This work challenges the concept of gene regulation by canonical Condensin complexes and ask for caution when studying Condensin role outside chromosome condensation in mitosis.